Флуоресцентный биосенсор отслеживает РНК растений в реальном времени для улучшения сельского хозяйства и биобезопасности
Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) разработали первый в истории метод обнаружения рибонуклеиновой кислоты (РНК) внутри растительных клеток с использованием техники, приводящей к видимому флуоресцентному сигналу. Технология помогает исследователям обнаруживать и отслеживать изменения в РНК и экспрессии генов в реальном времени, предоставляя мощный инструмент для создания более устойчивых биоэнергетических и пищевых культур, а также для обнаружения нежелательных модификаций растений, патогенов и вредителей.
РНК — это сигнальная молекула внутри клеток, используемая для считывания кода дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и преобразования его в функциональные части, такие как белки, необходимые для роста растений и реакции на стресс. Разработанный в ORNL биосенсор непрерывно контролирует уровень РНК в живых растениях, заменяя традиционный разрушительный и трудоемкий метод сбора, обработки и анализа тканей.
«С помощью этого биосенсора ученые получают представление в реальном времени о том, как клетки перепрограммируют себя на молекулярном уровне в меняющихся условиях окружающей среды, таких как засуха или болезнь», — сказал Сяохань Ян, руководитель проекта в ORNL. Этот подход упрощает традиционные методы, используемые для проверки экспрессии генов в модифицированных растениях, и может лучше обнаруживать физиологию растений, связанную с болезнью или дефицитом питательных веществ, ускоряя разработку лучших культур.
Биосенсор включает разделение рибозима — молекулы РНК, которая может действовать как фермент, катализируя сплайсинг РНК внутри клетки, — на две неактивные части. Затем ученые ORNL присоединили фрагменты рибозима к направляющим последовательностям РНК, разработанным для связывания с определенной РНК-мишенью внутри растительной клетки.
Когда направляющая РНК находит свою мишень, две части рибозима воссоединяются и становятся активными. Это запускает сборку репортерного белка, который производит видимую флуоресценцию, раскрывая местоположение и количество РНК в растении. Результаты команды подробно описаны в Plant Biotechnology Journal.
Ученые успешно продемонстрировали, как биосенсор работает для обнаружения вируса, инфицирующего растение табака. При использовании в другом растении, Arabidopsis, биосенсор показал, как гены включаются и выключаются внутри клеток. Система может обнаруживать активность генов в разных масштабах — от отдельных клеток до уровня тканей по всему растению, включая листья, корни, цветы и стебли.
«Исследователям полезно видеть, когда и где растение начинает перепрограммировать себя в ответ на такие условия, как засуха», — сказал Пол Абрахам, соавтор, биоаналитический химик и руководитель направления SEED SFA (Secure Ecosystem Engineering and Design Science Focus Area) Министерства энергетики США под руководством ORNL.
«Затем мы можем точно измерить, что происходит на молекулярном уровне. С помощью таких инструментов мы можем достичь более полного понимания того, что происходит на клеточном уровне и как это передается через метаболические пути по всему растению».
Включение мониторинга в реальном времени и создание новых сортов сельскохозяйственных культур
«Биосенсор продвигает науку о растениях несколькими способами», — сказал Джерри Таскан, соавтор и директор Центра инноваций в области биоэнергетики Министерства энергетики США под руководством ORNL.
«Его универсальность варьируется от фундаментальной научной перспективы проведения лучшей функциональной геномики до практического использования в качестве инструмента для скрининга эффективности растений для раннего обнаружения патогенов или других стрессовых реакций, даже до того, как эти воздействия приведут к внешним изменениям растения».
Ученые-растениеводы и синтетические биологи ORNL достигли нескольких прорывов в трансформации растений, включая открытие генов, обеспечивающих устойчивость к засухе и значительно стимулирующих рост растений, разработку биосенсоров для обнаружения редактирования генов CRISPR и технологии «накопления генов» для ускорения разработки новых сортов растений. Работа направлена на инновации для производства отечественных, доступных биотоплива, химикатов и материалов и продолжает долгую историю биологических и генетических исследований ORNL.
«Открытие матричной РНК (mRNA) началось с работы биологов и химиков ORNL в 1950-х годах с использованием методов, разработанных во время нашей работы над Манхэттенским проектом», — сказал Пол Ланган, заместитель директора лаборатории по направлению биологических и экологических системных наук в ORNL.
«Сегодня мы продолжаем внедрять инновации в области молекулярной биологии. Этот новый метод биосенсирования, разработанный нашими учеными, может отслеживать модификации РНК, позволяя создавать лучшие культуры как для энергетики, так и для продовольственного изобилия».