(Sinistra) Schema del processo. Una molecola bioattiva (come il DNA o l'RNA) viene combinata con un nanocarrier peptidico (un peptide penetrante nelle cellule, CPP) in una soluzione acquosa e quindi spruzzata sulle foglie delle piante con un atomizzatore spray. Questa tecnica può alterare l'espressione genica senza alterare i geni stessi. (Destra) Prova che il sistema può essere utilizzato per promuovere l'espressione genica. La colorazione blu può essere vista dopo la spruzzatura con un complesso DNA/CPP plasma contenente il gene reporter GUS. Notare la foglia superiore senza alcuna colorazione blu. Questa foglia è stata spruzzata con una soluzione che conteneva il DNA plasmatico ma non il vettore peptidico. Credito:RIKEN
I ricercatori del RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Giappone hanno sviluppato un modo per migliorare la qualità delle colture senza dover creare speciali piante geneticamente modificate. Piuttosto che cambiare i genomi delle piante, la nuova tecnica si basa su uno spray che introduce molecole bioattive nelle cellule vegetali attraverso le loro foglie. La nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata per aiutare le colture a resistere ai parassiti o diventare più resistenti alla siccità, in meno tempo e a un costo inferiore rispetto alla produzione di linee di colture geneticamente modificate. Lo studio è stato riportato sulla rivista scientifica ACS Nano .
La tecnologia ora può alterare direttamente i genomi e creare organismi geneticamente modificati (OGM), compreso il cibo GM. Tuttavia, la produzione di piante transgeniche richiede tempo, denaro e non ha ancora ottenuto un ampio sostegno pubblico. I ricercatori RIKEN CSRS guidati da Masaki Odahara hanno sviluppato un'alternativa al cibo GM in grado di superare questi problemi. Ad esempio, invece di modificare il genoma di una pianta in modo che non esprima un gene particolare, lo stesso gene può essere soppresso in movimento inserendo uno specifico composto bioattivo nella pianta. In questo scenario, il composto bioattivo viene assorbito nelle cellule della pianta da un vettore che può penetrare nelle pareti cellulari delle cellule vegetali.
Anche se il concetto potrebbe essere semplice, realizzarlo è stata una sfida. "Oltre a progettare un modo per introdurre molecole bioattive nelle piante", afferma Odahara, "abbiamo dovuto considerare un metodo di consegna che fosse pratico per le colture coltivate in condizioni agricole reali". Il team ha concluso che il metodo migliore sarebbe attraverso uno spray che potrebbe essere distribuito su ampi campi in modo relativamente semplice.
Molti tipi di nanoparticelle possono penetrare nelle cellule vegetali. I ricercatori si sono concentrati sui peptidi che penetrano nelle cellule (CPP) perché possono anche colpire strutture specifiche all'interno delle cellule vegetali, come i cloroplasti. La prima sfida è stata determinare quali CPP sono i migliori quando si utilizza uno spray. Hanno etichettato i CPP naturali e sintetici con un giallo fluorescente, li hanno spruzzati sulle foglie delle piante e hanno misurato la quantità di fluorescenza nelle foglie con un microscopio confocale a scansione laser in diversi punti temporali. Dopo aver eseguito questa procedura nel tipico laboratorio Arabidopsis thaliana, oltre che in diversi tipi di semi di soia e pomodori, hanno trovato diversi CPP naturali in grado di penetrare nello strato esterno delle foglie, e in alcuni casi anche più in profondità.
Prova che il sistema può essere utilizzato per silenziare i geni nei pomodori. Il vettore peptidico (in alto), l'RNA interferente (al centro) o il complesso contenente entrambi (in basso) sono stati spruzzati sulle foglie di una pianta di pomodoro. La pianta di pomodoro è stata progettata per sovraesprimere una proteina fluorescente verde. Quando è stato utilizzato il complesso RNA/CPP, la fluorescenza verde era assente, indicando che il gene che guida l'espressione della proteina fluorescente verde è stato silenziato. Credito:RIKEN
Ulteriori esperimenti hanno mostrato che questa tecnica funzionava bene quando il DNA plasmidico era attaccato ai CPP e l'analisi ha mostrato che i geni erano effettivamente espressi nelle foglie sia di A. thaliana che di semi di soia dopo essere stati trasportati nelle cellule attraverso uno spray acquoso. I ricercatori hanno anche scoperto che includendo altre biomolecole e nanostrutture nella soluzione spray, potrebbero aumentare temporaneamente il numero di pori nelle foglie, aumentando la quantità di spray assorbita dalla pianta.
Spesso, la resa del raccolto può essere migliorata inserendo o eliminando i geni. Dopo aver creato una pianta transgenica che sovraesprime la fluorescenza gialla nelle foglie, il team ha attaccato l'RNA che interferisce con l'espressione della proteina fluorescente a un CPP. Come sperato, spruzzando le foglie con questa complessa espressione di florescenza gialla silenziata.
"Questo risultato è stato fondamentale", afferma Odahara, "perché è importante che qualsiasi alternativa alla modificazione genetica sia in grado di ottenere lo stesso risultato funzionale".
Infine, i ricercatori sono stati in grado di silenziare in modo simile i geni specifici dei cloroplasti quando includevano un peptide mirato ai cloroplasti in uno specifico complesso CPP-RNA.
"I mitocondri e i cloroplasti regolano gran parte dell'attività metabolica di una pianta", afferma Odahara. "Prendere di mira queste strutture con molecole bioattive erogate tramite spray potrebbe effettivamente migliorare i tratti di qualità economicamente desiderabili nelle colture. Il nostro prossimo passo è migliorare l'efficienza del sistema di consegna. In definitiva, speriamo che questo sistema possa essere utilizzato per proteggere in sicurezza le colture da parassiti o altri fattori dannosi". + Esplora ulteriormente
