Sztucznie wyhodowane rośliny mogą stać się ekologicznymi fabrykami chemicznymi przyszłości
Zadaniem biologii syntetycznej jest modyfikowanie istniejących organizmów poprzez projektowanie systemów biologicznych w oparciu o informatykę i inżynierię. Do kluczowych podejść w biologii syntetycznej należy projektowanie, a następnie wprowadzanie do komórek syntetycznych genomów. Genomy zawierają wszystkie informacje genetyczne, jakich potrzebuje organizm. „Rośliny są szczególnie atrakcyjnym celem dla biologii syntetycznej”, wyjaśnia GENEVOSYN Ralph Bock, koordynator projektu i dyrektor Instytutu Fizjologii Molekularnej Roślin im. Maxa Plancka w Niemczech. „Po pierwsze, ich genomami można stosunkowo łatwo manipulować. Po drugie, rośliny tolerują nawet duże zmiany w swoich genomach. Po trzecie, i najważniejsze, rośliny są niezbędne do istnienia życia na naszej planecie, ponieważ produkują tlen, którym oddychamy, i pożywienie, które spożywamy”. „Rosnąca światowa populacja i wyzwania związane ze zmianą klimatu oznaczają, że wydajność rolnictwa musi się podwoić do 2050 roku”, mówi Bock. „Konieczne jest znalezienie nowych, odnawialnych źródeł substancji chemicznych i paliw. Ważną rolę w powstaniu tych pilnie potrzebnych technologii może odegrać właśnie biologia syntetyczna”.
Stosowanie inżynierii genomicznej
Projekt GENEVOSYN, wsparty ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, wykorzystuje przełomowe prace Bocka do opracowania narzędzi mających pozwolić na otrzymanie genomów dwóch organelli komórkowych – struktur pełniących określone funkcje w komórkach – nazywanych chloroplastami oraz mitochondriami. Genomy tych dwóch organelli mają znacznie mniejsze rozmiary niż genom w jądrze komórki roślinnej. „Z tych względów chloroplasty i mitochondria szczególnie dobrze nadają się do precyzyjnej inżynierii genomicznej o dużej skali”, wyjaśnia Bock. „Pozwala nam to na zastosowanie podejść biologii syntetycznej, które obecnie nie są możliwe do wykorzystania w genomie jądra komórkowego”. Autorowi projektu przyświecało szereg celów. Po pierwsze, Bock chciał zaprojektować nową ścieżkę metaboliczną w chloroplaście, aby umożliwić syntezę leku przeciwmalarycznego, artemizyny. Po drugie, postanowił opracować metody, które uczyniłyby genom mitochondrialny bardziej dostępnym do manipulacji genetycznych. „Ponadto chcieliśmy wykorzystać nasze odkrycie dotyczące możliwości przenoszenia całych genomów między gatunkami roślin poprzez szczepienie”, mówi Bock. „Wpadliśmy na pomysł, aby wykorzystać ten proces do generowania nowych syntetycznych gatunków roślin”.
Rośliny jako fabryki
Bockowi wraz z realizującym zakończony w marcu 2021 roku projekt zespołem udało się wprowadzić szlak artemizynowy do chloroplastów. Uczeni wykazali, że ten bardzo potrzebny lek, który może potencjalnie uratować tysiące istnień ludzkich, można wytwarzać w dużych ilościach w liściach tytoniu. „Strategie i narzędzia, które opracowaliśmy w projekcie, można teraz stosować do innych szlaków metabolicznych”, dodaje Bock. Zespół poczynił również pewne postępy w zakresie inżynierii genomu mitochondriów. „Wciąż istnieje wiele przeszkód technicznych, które trzeba pokonać, zanim będziemy mogli wprowadzić dodatkowe geny do genomu mitochondriów”, mówi Bock. Ostatecznie w ramach projektu udało się wygenerować kilka syntetycznych gatunków, a zespół zajmuje się obecnie analizą ich genetyki, fizjologii i metabolizmu. „Stwierdziliśmy, że szczepienie może pozwolić na przekazywanie materiału genetycznego między różnymi gatunkami”, zauważa Bock. „Oznacza to, że hodowcy roślin zyskują nową metodę wytwarzania nowych gatunków roślin uprawnych o nieznanych wcześniej właściwościach”. Reasumując, projekt GENEVOSYN uwidocznił potencjał biologii syntetycznej w zakresie poprawy bezpieczeństwa żywnościowego oraz wykorzystania roślin jako fabryk do wydajnej syntezy zielonych chemikaliów, biofarmaceutyków i innych użytecznych związków. Zdaniem Bocka to dopiero początek. „W przyszłości biologia syntetyczna może przynieść odpowiedzi na takie wyzwania, jak usprawnienie fotosyntezy czy hodowanie roślin, które mogą wykorzystywać azot zawarty w powietrzu jako nawóz”, dodaje na koniec uczony.
Słowa kluczowe
GENEVOSYN, rolnictwo, chemia, biofarmaceutyki, genetyka, biologia syntetyczna
