SciTechDaily

ניקולס

עריכת גנים מכה שמן: קמלינה בעלת תשואה גבוהה מחוללת מהפכה בדלק ביולוגי

ייצוג האמן של השפעת העריכה של כל ששת העותקים של הגן TT8 בקמלינה סאטיבה. זרעים עם גנים TT8 מומתים (מימין) מראים צבע צהוב, עובי מופחת של קליפת הזרעים שלהם והצטברות של כמעט 22% יותר שמן מאשר זרעים מסוג בר (משמאל). קרדיט: ולרי לנץ/מעבדה הלאומית ברוקהייבן

מדענים הגדילו את ייצור הנפט בקמלינה סאטיבה ב-21.4% על ידי עריכת גנים של הגן TT8, מה שסלל את הדרך לגידולי דלק ביולוגי יעיל יותר.

ככל שיוזמות להגיע לפליטות פחמן אפס נטו מדלקי תחבורה צוברות תאוצה, הצורך בנפט שמקורו בגידולים שאינם מזון נמצא בעלייה. גידולים אלה רותמים את אור השמש כדי להפוך פחמן דו חמצני אטמוספרי לשמן, שנאגר בזרעיהם. מגדלי גידולים שמטרתם למקסם את ייצור השמן מעדיפים לעתים קרובות צמחים עם זרעים צהובים, מכיוון שהם בדרך כלל מניבים יותר שמן מאשר זנים עם זרעים חומים בגידולי זרעי שמן כמו קנולה. הסיבה לכך היא חלבון שצובע את הזרעים בצבע חום, נעדר בצמחים בעלי זרעים צהובים, שגם לו תפקיד מרכזי בייצור שמן.

פריצת דרך בפיתוח גידולי דלק ביולוגי

כעת, ביוכימאים של צמחים במעבדה הלאומית ברוקהייבן (DOE) של משרד האנרגיה האמריקני – אשר מעוניינים להגדיל את סינתזת שמן צמחי לייצור בר-קיימא של דלק ביולוגי ומוצרים ביולוגיים אחרים – רתמו את הידע הזה כדי ליצור זן חדש של זרעי שמן עם תשואה גבוהה. במאמר שפורסם זה עתה ב כתב העת לצמח ביוטכנולוגיה,< הם מתארים כיצד השתמשו בכלים של גנטיקה מודרנית כדי לייצר מגוון צהוב-זרעים של קמלינה סאטיבהקרוב משפחה של קנולה, שצובר 21.4% יותר שמן מקמלינה רגילה.

"אם מגדלים יכולים לקבל עלייה של אחוזים בודדים בייצור הנפט, הם רואים בכך משמעותי, מכיוון שאפילו עליות קטנות בתפוקה יכולות להוביל לעלייה גדולה בתפוקת הנפט כאשר אתה שותל מיליוני דונמים", אמר ביוכימאי מעבדת ברוקהייבן, ג'ון שנקלין. יו"ר המחלקה לביולוגיה במעבדה ומוביל את תוכנית המחקר שלה בשמן צמחי. "הגידול של כמעט 22% שלנו היה בלתי צפוי ועלול לגרום לעלייה דרמטית בייצור", אמר.

צוות המחקר של מעבדת ברוקהייבן מעורב בהנדסת קמלינה

צוות המחקר של מעבדת ברוקהייבן (משמאל לימין): Jin Chai, Jodie Cui, Shreyas Prakash, Xiao-Hong Yu, John Shanklin, Jorg Schwender, Hai Shi, and Sanket Anaokar. כולם חברים במחלקה לביולוגיה של מעבדת ברוקהייבן; Prakash ו-Cui הם סטודנטים לתואר ראשון באוניברסיטת קורנל ובאוניברסיטת סטוני ברוק, בהתאמה, המשתתפים בתוכנית ההתמחות במעבדה לתואר ראשון של המחלקה האמריקאית לאנרגיה בחסות המדע. קרדיט: Jessica Rotkiewicz/Brookhaven National Laboratory

רעיון פשוט, צמח יוצא דופן

הרעיון מאחורי פיתוח זן קמלינה בעל תפוקה גבוהה זה היה פשוט: לחקות את מה שקורה בזני הקנולה בעלי התשואה הגבוהה, בעלי זרעים צהובים.

"מגדלים זיהו צמחים עם יותר שמן, שלחלקם במקרה היו זרעים צהובים, והם לא ממש דאגו לגבי המנגנון", אמר שנקלין. אבל ברגע שמדענים גילו את הגן האחראי הן לצבע הזרע הצהוב והן לתכולת השמן המוגברת, הייתה להם דרך להגדיל את תפוקת הנפט בשאר מִין.

עריכת גנים לייצור שמן משופר

לגן יש את ההוראות לייצור חלבון המכונה Testa 8 שקוף (TT8), השולטת בייצור תרכובות המעניקות לזרעים את צבעם החום, בין היתר. חשוב לציין, TT8 גם מעכב חלק מהגנים המעורבים בסינתזת שמן.

Xiao-Hong Yu, שהובילה את הפרויקט הזה, שיערה שהיפטרות מ-TT8 בקמלינה צריכה לשחרר את העיכוב בסינתזת שמן – ולשחרר מעט פחמן שניתן לתעל לייצור שמן.

להיפטר מגן בודד בקמלינה היא מאתגרת מאוד מכיוון שצמח זה יוצא דופן בקרב יצורים חיים. במקום שתי קבוצות של כרומוזומים – כלומר שני עותקים של כל גן – יש לו שש קבוצות.

"הגנום ה'הקספלואידי' הזה מסביר מדוע אין זנים טבעיים של קמלינה עם זרעים צהובים", הסביר יו. "זה יהיה מאוד לא סביר שמוטציות יצוצו בו זמנית בכל ששת העותקים של TT8 ישבשו לחלוטין את תפקודו."

עריכת גנים מכה שמן

הודות לכלים של הגנטיקה המודרנית, לצוות ברוקהייבן הייתה דרך לדפוק את כל ששת העותקים של TT8. הם השתמשו בטכנולוגיית עריכת גנים הידועה בשם CRISPR/Cas9 כדי למקד את הרצפים הספציפיים של DNA בתוך הגנים TT8. הם השתמשו בטכנולוגיה כדי לבקע את ה-DNA במקומות האלה ולאחר מכן ליצור מוטציות שהשביתו את הגנים. יו והצוות ביצעו אז סדרה של ניתוחים ביוכימיים וגנטיים כדי לנטר את ההשפעות של עריכת הגנים הממוקדת שלהם.

"פנוטיפ הזרע הצהוב שחיפשנו היה מדריך חזותי נהדר לחיפוש שלנו", אמר יו. "זה עזר לנו למצוא את הזרעים שחיפשנו על ידי סינון של פחות מ-100 צמחים – ביניהם זיהינו שלושה קווים המתרחשים באופן עצמאי שבהם כל ששת הגנים היו מופרעים."

התוצאות: צבע קליפת הזרעים השתנה מחום לצהוב רק בצמחים שבהם כל ששת העותקים של הגן TT8 היו שיבושים. לזרעים הצהובים היו רמות נמוכות יותר של תרכובות "פלבנואידים" ו"רייר" – שניהם מיוצרים בדרך כלל על ידי מסלולים ביוכימיים הנשלטים על ידי TT8 – מאשר זרעים חומים מזנים של קמלינה עם גנום לא ערוך.

בנוסף, גנים רבים המעורבים בסינתזת שמן ובייצור חומצות שומן, אבני הבניין של השמן, באו לידי ביטוי ברמות מוגברות בזרעים מהצמחים בעריכת CRISPR/Cas9. זה הביא לעלייה דרמטית בהצטברות הנפט. הזרעים שהשתנו הכילו הפתעה חיובית נוספת בכך שרמות החלבונים והעמילן לא השתנו.

המוטציות הממוקדות ל-TT8 עברו בתורשה בדורות הבאים של צמחי הקמלינה, מה שמרמז שהשיפורים יהיו יציבים וארוכי טווח.

"התוצאות שלנו מדגימות את הפוטנציאל ליצירת קווים חדשים של קמלינה על ידי עריכת גנים, במקרה זה על ידי מניפולציה של TT8 כדי לשפר את הביוסינתזה של שמן. הבנת פרטים נוספים על האופן שבו TT8 וגורמים אחרים שולטים במסלולים ביוכימיים עשויה לספק יעדי גנים נוספים להגדלת תפוקת הנפט", אמר שנקלין.

מחקר זה מומן על ידי משרד המדע DOE – בין השאר באמצעות פרויקט המכונה "שיפור ייצור זרעי שמן קמלינה עם דישון חנקן מינימלי במערכות גידול בנות קיימא" בראשות אוניברסיטת מונטנה סטייט; המרכז לחדשנות ביו-אנרגיה מתקדמת ומוצרים ביולוגיים (CABBI), מרכז מחקר ביו-אנרגיה במימון DOE בראשות אוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין; והתוכנית למדעי הביו הפיזיים במעבדת ברוקהייבן. סטודנטים הנתמכים על ידי משרד המדע תרמו גם הם למחקר זה. בנוסף, המדענים השתמשו במיקרוסקופ קונפוקאלי במרכז לננו-חומרים פונקציונליים (CFN), הפועל כמתקן למשתמש של משרד ה-DOE Office of Science במעבדת ברוקהייבן.

ניקולס