Qarqet gjenetike sintetike mund të ndihmojnë bimët të përshtaten me ndryshimet klimatike

Gjithnjë e më shumë, prodhimi global i ushqimit po kërcënohet nga efektet e ndryshimeve klimatike. Ndërsa përmbytjet, thatësirat dhe valët ekstreme të të nxehtit bëhen më të zakonshme, të korrat duhet të jenë në gjendje të përshtaten më shpejt se kurrë.

Studiuesit në Universitetin Stanford janë duke punuar në mënyra për të manipuluar proceset biologjike në bimë për t’i ndihmuar ato të rriten në mënyrë më efikase dhe efektive në kushte të ndryshme. Jennifer Brophy, një asistent profesor i bioinxhinierisë, dhe kolegët e saj kanë projektuar një seri qarqesh gjenetike sintetike që i lejojnë ata të kontrollojnë vendimet e marra nga lloje të ndryshme të qelizave bimore. Në një punim të botuar së fundmi në Science, ata përdorën këto mjete për të rritur bimë me struktura rrënjësh të modifikuara. Puna e tyre është hapi i parë në projektimin e kulturave që janë më të afta të mbledhin ujë dhe lëndë ushqyese nga toka dhe ofron një kornizë për projektimin, testimin dhe përmirësimin e qarqeve gjenetike sintetike për aplikime të tjera në bimë.

“Qarqet tona gjenetike sintetike do të na lejojnë të ndërtojmë sisteme rrënjësore shumë specifike ose struktura gjethesh shumë specifike për të parë se çfarë është optimale për kushtet sfiduese mjedisore që ne e dimë se do të vijnë,” tha Brophy. “Ne po e bëjmë inxhinierinë e impianteve shumë më të saktë.”

Varietetet aktuale të kulturave të modifikuara gjenetikisht përdorin sisteme relativisht të thjeshta dhe të pasakta që bëjnë që të gjitha qelizat e tyre të shprehin gjenet e nevojshme, të themi, për t’i rezistuar herbicideve ose dëmtuesve. Për të arritur kontroll në shkallë të mirë mbi sjelljen e bimëve, Brophy dhe kolegët e saj ndërtuan ADN sintetike që në thelb funksionon si një kod kompjuterik me porta logjike që drejtojnë procesin e vendimmarrjes. Në këtë rast, ata përdorën ato porta logjike për të specifikuar se cilat lloje qelizash shprehnin gjene të caktuara, duke i lejuar ata të rregullonin numrin e degëve në sistemin rrënjor pa ndryshuar pjesën tjetër të bimës.

Thellësia dhe forma e sistemit rrënjor të një bime ndikojnë në efikasitetin e saj në nxjerrjen e burimeve të ndryshme nga toka. Një sistem rrënjor i cekët me shumë degë, për shembull, është më i mirë në thithjen e fosforit (i cili qëndron pranë sipërfaqes), ndërsa një sistem rrënjor më i thellë që degëzohet në fund është më i mirë në mbledhjen e ujit dhe azotit. Duke përdorur këto qarqe gjenetike sintetike, studiuesit mund të rritnin dhe testonin modele të ndryshme rrënjësh për të krijuar kulturat më efikase për rrethana të ndryshme. Ose, në të ardhmen, ata mund t’u japin bimëve aftësinë për të optimizuar veten.

“Ne kemi varietete moderne të kulturave që kanë humbur aftësinë e tyre për t’u përgjigjur ku janë lëndët ushqyese të tokës,” tha José Dinneny, një profesor i asociuar i biologjisë në Shkollën e Shkencave Humane dhe Shkencave dhe një nga autorët kryesorë në punim. “I njëjti lloj portash logjike që kontrollojnë degëzimin e rrënjëve mund të përdoret, të themi, për të krijuar një qark që merr parasysh përqendrimet e azotit dhe fosforit në tokë dhe më pas gjeneron një dalje që është optimale për ato kushte.”

Brophy projektoi më shumë se 1000 qarqe potenciale për të qenë në gjendje të manipulojnë shprehjen e gjeneve në bimë. Ajo i testoi ato në gjethet e bimëve të duhanit, duke parë nëse mund t’i bënte qelizat e gjetheve të krijonin një proteinë me shkëlqim në errësirë që gjendet në kandil deti. Ajo gjeti 188 dizajne që funksionuan, të cilat studiuesit po i ngarkojnë në një bazë të dhënash sintetike të ADN-së që shkencëtarët e tjerë të mund t’i përdorin në punën e tyre.

Pasi ata kishin dizajne pune, studiuesit përdorën një nga qarqet për të krijuar porta logjike që do të modifikonin shprehjen e një gjeni të veçantë zhvillimor në një lloj qelize të përcaktuar saktësisht të rrënjës së Arabidopsis thaliana, një bimë e vogël, barërat e këqija që përdoret shpesh si organizmi model. Duke ndryshuar nivelin e shprehjes së atij gjeni, ata ishin në gjendje të modifikonin densitetin e degëve në sistemin rrënjë.

Tani që ata kanë demonstruar se mund të ndryshojnë strukturën e rritjes së një organizmi model, studiuesit synojnë të aplikojnë të njëjtat mjete në kulturat tregtare. Ata po hetojnë mundësinë e përdorimit të qarqeve të tyre gjenetike për të manipuluar strukturën e rrënjëve në melekuqe, një bimë që mund të rafinohet në biokarburant, për ta ndihmuar atë të thithë ujin dhe të kryejë fotosintezën në mënyrë më efikase.

“Ndryshimi i klimës po ndryshon kushtet bujqësore në të cilat ne rritim bimët në të cilat mbështetemi për ushqim, lëndë djegëse, fibra dhe lëndë të para për ilaçe,” tha Brophy. “Nëse nuk jemi në gjendje t’i prodhojmë ato bimë në shkallë, do të përballemi me shumë probleme. Kjo punë është për të ndihmuar që të kemi varietete bimore që mund të rritim, edhe nëse kushtet mjedisore që ne po rriten ato duke u bërë më pak të favorshme.”

Bashkautorë shtesë të këtij hulumtimi nga Stanford përfshijnë teknikët e kërkimit Katie J. Magallon dhe Kiril Kniazev, bashkëpunëtorja kërkimore Lina Duan, studiuesi postdoktoral Prashanth Ramachandran dhe studentja e diplomuar Vivian Zhong. Dinneny është gjithashtu një anëtar i Stanford Bio-X.