Insérer ou modifier des gènes dans les plantes est plus un art qu'une science, mais une nouvelle technique développée par l'Université de Californie, Berkeley, les scientifiques pourraient faire du génie génétique n'importe quel type de plante, en particulier, édition de gènes avec CRISPR-Cas9 :simple et rapide.

Pour délivrer un gène, les chercheurs le greffent sur un nanotube de carbone, qui est assez petit pour glisser facilement à travers la paroi cellulaire dure d'une plante. À ce jour, la majeure partie du génie génétique des plantes se fait en injectant des gènes dans le tissu - un processus connu sous le nom de biolistique - ou en délivrant des gènes via des bactéries. Les deux ne réussissent qu'un petit pourcentage du temps, ce qui est une limitation majeure pour les scientifiques cherchant à créer des cultures résistantes aux maladies ou à la sécheresse ou à concevoir des plantes afin qu'elles soient plus facilement converties en biocarburants.

Nanotubes, cependant, sont très efficaces pour délivrer un gène dans le noyau et également dans le chloroplaste, une structure dans la cellule qui est encore plus difficile à cibler avec les méthodes actuelles. Chloroplastes, qui ont leur propre séparé, bien que petit, génome, absorber la lumière et stocker son énergie pour une utilisation future, libérant de l'oxygène dans le processus. Une technique simple de délivrance de gènes serait une aubaine pour les scientifiques qui tentent maintenant d'améliorer l'efficacité de la capture de l'énergie lumineuse pour augmenter les rendements des cultures.

Le nanotube protège non seulement l'ADN de la dégradation par la cellule, mais empêche également son insertion dans le génome de la plante. Par conséquent, la technique permet des modifications ou délétions de gènes qui aux États-Unis et dans les pays autres que l'Union européenne ne déclencheraient pas la désignation « génétiquement modifié, " ou OGM.

"L'un des avantages est juste le temps gagné avec une technologie comme celle-ci, " a déclaré Markita Landry, un professeur assistant de l'UC Berkeley en génie chimique et biomoléculaire. "Mais je pense que les avancées majeures seront la capacité de fournir rapidement et efficacement des gènes aux plantes à travers les espèces et d'une manière qui pourrait permettre la génération de lignées végétales transgéniques sans intégration d'ADN étranger dans le génome de la plante."

Une utilisation clé serait l'édition du gène CRISPR-Cas9 :fournir le gène pour Cas9, qui est l'enzyme qui cible et coupe l'ADN, ainsi que le guide d'encodage de l'ADN ARN—l'étiquette d'adresse de Cas9—pour modifier des gènes spécifiques avec une grande précision. Et l'ADN lié à un nanotube est très résistant.

"Nous avons évalué la stabilité des constructions et le coût et, sur les deux plans, cela se prête à la science du garage, " Landry a déclaré. "Vous pouvez mettre ces choses dans une enveloppe et les poster à peu près n'importe où. Vous n'avez pas besoin de réfrigérateur, un pistolet à gènes, bactéries; vous n'avez pas besoin de beaucoup pour travailler avec eux, et ils sont stables pendant des mois. Nous pouvons les générer à grande échelle, les congeler, décongelez-les, ce sont de petites choses robustes."

Landry et ses collègues rendront compte de leurs résultats en ligne le 25 février avant leur publication dans la revue Nature Nanotechnologie .

Livraison CRISPR

Landry a découvert que les nanotubes glissent facilement à travers les parois des cellules végétales, qui sont connus pour leurs couches dures, en essayant d'étiqueter les cellules avec des capteurs à nanotubes. Les capteurs se sont retrouvés à l'intérieur de la cellule, pas à la surface de la cellule.

Elle a immédiatement vu comment inverser cela pour transmettre des gènes aux plantes. Les méthodes actuelles sont lourdes et peuvent être à faible rendement. L'utilisation de pistolets à gènes est destructrice; c'est comme faire un trou dans une cellule végétale et espérer que votre gène et la cellule survivent tous les deux. Toutes les plantes ne peuvent pas être infectées par Agrobacterium porteur de gènes, et une autre technique, utiliser des virus pathogènes pour transporter des gènes, fonctionne pour une gamme encore plus restreinte de plantes et risque d'insérer de l'ADN viral dans le génome de la plante. Tous doivent être personnalisés pour chaque plante, et l'ADN délivré est intégré au génome :la définition d'OGM.

Désireux d'essayer, Landry et ses collègues ont enveloppé le gène de la protéine fluorescente verte (GFP) autour d'un nanotube et l'ont injecté dans une feuille de roquette biologique achetée dans un Whole Foods Market local. En une journée, les cellules végétales ont brillé en vert sous la lumière UV, indiquant que le gène GFP avait été transcrit et traduit en protéine, comme s'il s'agissait du gène de la plante.

L'effet n'a duré que quelques jours, cependant, probablement parce que les protéines sont recyclées, et l'ADN se dégrade lentement.

Une courte durée de vie n'est pas un inconvénient, toutefois.

"Une partie de ce qui rend la plate-forme unique est que l'expression est transitoire. Lorsque nous regardons au microscope sept à 10 jours plus tard, l'expression est partie, la fluorescence a disparu. Ce n'est pas le cas d'Agrobacterium, " a déclaré Landry. Pour les scientifiques qui étudient le fonctionnement des plantes, exprimer un gène pendant une courte période peut leur en dire long sur le rôle du gène dans la cellule.

"Pour que ce soit une plate-forme largement utile, cependant, nous devons exprimer une protéine qui en elle-même a un effet permanent sur le génome nucléaire, " elle a ajouté.

Son plan est de conditionner l'ADN dans un plasmide simple brin qui est ensuite attaché à un nanotube de carbone. Dans les deux ou trois jours après diffusion dans la cellule, la protéine Cas9 et l'ARN guide CRISPR seraient exprimés, leur permettant de se lier pour former un complexe ribonucléoprotéique qui édite le génome, en permanence. Elle n'a trouvé aucun effet toxique du nanotube.

"Donc, maintenant vous avez une plante qui est éditée, mais qui serait considéré comme non-OGM en dehors de l'Europe, " elle a dit.

Charger le nanotube

Elle et ses collègues ont testé l'administration de nanotubes dans d'autres plantes :tabac, un cheval de bataille de la génétique végétale; coton, dont le génome est notoirement difficile à déchiffrer; et le blé. Des versions génétiquement modifiées de ces plantes sont déjà sur le marché, mais une technique simplifiée pourrait accélérer l'introduction de nouveaux gènes bénéfiques. Le tabac, par exemple, a été conçu pour produire des produits pharmaceutiques tels que des médicaments anticancéreux.

Bien que Landry et ses collègues ne comprennent pas encore complètement comment fonctionne l'administration de nanotubes, l'entrée facile des nanotubes n'est pas une surprise totale, elle a dit. Les parois cellulaires des plantes laissent les choses glisser facilement si elles sont inférieures à environ 5 à 20 nanomètres, ce qui est bien inférieur à la limite de 500 nanomètres des cellules de mammifères. Les nanotubes font environ 1 nanomètre de diamètre, bien qu'ils fassent quelque 300 nanomètres de long :assez de place pour attacher des dizaines de gènes. Les cellules végétales sont de l'ordre de 10, 000 nanomètres de diamètre.

Elle et ses collègues de laboratoire ont essayé diverses techniques pour attacher l'ADN aux nanotubes et ont découvert que la liaison la plus étroite fonctionnait le mieux. Lorsque les chercheurs ont donné au nanotube une charge positive avant d'introduire l'ADN, il collait comme du papier à un peigne chargé d'électricité statique.

Elle mène maintenant des expériences avec des nanoparticules d'origami d'ADN pour mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur des cellules végétales après l'entrée du nanotube et de l'ADN, et expérimente l'administration de nanotubes dans les plantes d'autres types de molécules, spécifiquement l'ARN et les protéines.

« Ce qui est étonnant avec ces nanotubes de carbone, c'est qu'ils sont capables de franchir la paroi cellulaire et d'aller dans le noyau ou dans les chloroplastes. C'est une nouvelle avancée qui nous permet de vraiment mettre en place les outils d'édition du génome, " a déclaré Brian Staskawicz, professeur de biologie végétale et microbienne et directeur scientifique pour l'agriculture de l'Institut de génomique innovante, qui finance d'autres travaux sur la livraison de CRISPR par Landry et son équipe. "Les prochaines étapes seraient, pouvons-nous fournir des protéines ribonucléiques ou pouvons-nous fournir de l'ARNm ou de l'ADN qui coderait réellement pour CRISPR-Cas9 ? »