I ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo strumento genetico che potrebbe rendere più facile la progettazione di piante in grado di sopravvivere alla siccità o resistere alle infezioni fungine. La loro tecnica, che utilizza nanoparticelle per fornire geni nei cloroplasti delle cellule vegetali, funziona con molte specie di piante diverse, compresi spinaci e altre verdure.

Questa nuova strategia potrebbe aiutare i biologi vegetali a superare le difficoltà legate alla modificazione genetica delle piante, che ora è un complesso, processo dispendioso in termini di tempo che deve essere personalizzato in base alla specie vegetale specifica che viene modificata.

"Questo è un meccanismo universale che funziona tra le specie vegetali, "dice Michele Strano, il professore di ingegneria chimica Carbon P. Dubbs al MIT, sul nuovo metodo.

Strano e Nam-Hai Chua, il vicepresidente del Temasek Life Sciences Laboratory presso l'Università Nazionale di Singapore e professore emerito alla Rockefeller University, sono gli autori senior dello studio, che appare nel numero del 25 febbraio di Nanotecnologia della natura .

"Questo è un primo passo importante verso la trasformazione dei cloroplasti, " Chua dice. "Questa tecnica può essere utilizzata per lo screening rapido dei geni candidati per l'espressione dei cloroplasti in un'ampia varietà di piante coltivate".

Questo studio è il primo ad emergere dal programma recentemente lanciato Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) in Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), che è guidato da Strano e Chua. Gli autori principali dello studio sono l'ex postdoc del MIT Seon-Yeong Kwak, che ora è il direttore scientifico del programma DiSTAP, e lo studente laureato del MIT Tedrick Thomas Salim Lew.

Mirare ai cloroplasti

Alcuni anni fa, Strano e i suoi colleghi hanno scoperto che regolando le dimensioni e la carica elettrica delle nanoparticelle, potrebbero progettare le nanoparticelle per penetrare nelle membrane delle cellule vegetali. Questo meccanismo, chiamata penetrazione dell'involucro di scambio lipidico (LEEP), ha permesso loro di creare piante che brillano, incorporando nanoparticelle che trasportano luciferasi, una proteina che emette luce, nelle loro foglie.

Non appena il team del MIT ha riferito di usare LEEP per introdurre nanoparticelle nelle piante, i biologi delle piante hanno iniziato a chiedere se potesse essere usato per ingegnerizzare geneticamente le piante, e più specificamente, per ottenere i geni nei cloroplasti. Le cellule vegetali hanno dozzine di cloroplasti, quindi indurre i cloroplasti (invece del solo nucleo) ad esprimere i geni potrebbe essere un modo per generare quantità molto maggiori di una proteina desiderata.

"Portare strumenti genetici in diverse parti della pianta è qualcosa a cui i biologi vegetali sono molto interessati, " Dice Strano. "Ogni volta che tengo un discorso a una comunità di biologia vegetale, chiedono se puoi usare questa tecnica per fornire geni al cloroplasto".

Il cloroplasto, meglio conosciuto come il sito della fotosintesi, contiene circa 80 geni, quale codice per le proteine ​​necessarie per eseguire la fotosintesi. Il cloroplasto ha anche i suoi ribosomi, permettendogli di assemblare proteine ​​all'interno del cloroplasto. Fino ad ora, è stato molto difficile per gli scienziati inserire i geni nel cloroplasto:l'unica tecnica esistente richiede l'uso di una "pistola genetica" ad alta pressione per forzare i geni nelle cellule, che può danneggiare l'impianto e non è molto efficiente.

Usando la loro nuova strategia, il team del MIT ha creato nanoparticelle costituite da nanotubi di carbonio avvolti in chitosano, uno zucchero naturale. DNA, che è carico negativamente, si lega liberamente ai nanotubi di carbonio caricati positivamente. Per ottenere le nanoparticelle nelle foglie delle piante, i ricercatori applicano una siringa senza ago riempita con la soluzione di particelle sul lato inferiore della superficie fogliare. Le particelle entrano nella foglia attraverso minuscoli pori chiamati stomi, che normalmente controllano l'evaporazione dell'acqua.

Una volta dentro la foglia, le nanoparticelle passano attraverso la parete cellulare della pianta, membrane cellulari, e poi le doppie membrane del cloroplasto. Dopo che le particelle sono entrate nel cloroplasto, l'ambiente leggermente meno acido del cloroplasto provoca il rilascio del DNA dalle nanoparticelle. Una volta liberato, il DNA può essere tradotto in proteine.

In questo studio, i ricercatori hanno fornito un gene per la proteina fluorescente gialla, permettendo loro di visualizzare facilmente quali cellule vegetali hanno espresso la proteina. Hanno scoperto che circa il 47 percento delle cellule vegetali produceva la proteina, ma credono che potrebbe essere aumentato se potessero fornire più particelle.

Piante più resistenti

Uno dei principali vantaggi di questo approccio è che può essere utilizzato su molte specie di piante. In questo studio, i ricercatori lo hanno testato negli spinaci, crescione, tabacco, rucola, e Arabidopsis thaliana, un tipo di pianta comunemente usata nella ricerca. Hanno anche dimostrato che la tecnica non si limita ai nanotubi di carbonio e può essere potenzialmente estesa ad altri tipi di nanomateriali.

I ricercatori sperano che questo nuovo strumento consentirà ai biologi vegetali di progettare più facilmente una varietà di caratteristiche desiderabili in ortaggi e colture. Per esempio, i ricercatori agricoli a Singapore e altrove sono interessati alla creazione di ortaggi a foglia e colture che possono crescere a densità più elevate, per l'agricoltura urbana. Altre possibilità includono la creazione di colture resistenti alla siccità; colture ingegneristiche come banane, agrumi, e il caffè per resistere alle infezioni fungine che minacciano di spazzarle via; e modificare il riso in modo che non assorba l'arsenico dalle acque sotterranee.

Poiché i geni ingegnerizzati sono trasportati solo nei cloroplasti, ereditati dalla madre, possono essere trasmessi alla prole ma non possono essere trasferiti ad altre specie vegetali.

"Questo è un grande vantaggio, perché se il polline ha una modificazione genetica, può diffondersi alle erbacce e puoi creare erbacce resistenti a erbicidi e pesticidi. Poiché il cloroplasto viene trasmesso per via materna, non è passato attraverso il polline e c'è un livello più alto di contenimento dei geni, "dice Leo.