Natural sciences [2021-05-28]

Genetyczna gra w zielone

— Marcin Behrendt

Tłuszcz z nasion wykorzystywany do produkcji oleju jadalnego, a ten odkładający się w łodygach i liściach - używany do wytwarzania biopaliw - dr hab. Agnieszka Zienkiewicz, prof. UMK z ICNT pracuje nad rozwiązaniami, które mogą pomóc w opracowaniu nowych strategii walki z głodem na świecie i pozwolą uniezależnić nas od ropy naftowej.

Naukowcy zajmujący się tłuszczami badają możliwości ich magazynowania w łodygach i liściach od wielu lat. Nie jest to proste, bo roślina ma swój program genetyczny. Liście są stworzone do tego, aby dzięki dużej ilości chloroplastów prowadzić fotosyntezę – to jest ich cel nadrzędny. Nie jest nim natomiast produkcja tłuszczów zapasowych takich jak triacyloglicerole – bo za to odpowiadają organy zapasowe, czyli nasiona.

Podczas wcześniejszych badań, kiedy naukowcy próbowali zwiększyć syntezę kwasów tłuszczowych oraz triacylogliceroli magazynowanych w formie ciał tłuszczowych, aby wykorzystać je do produkcji biodiesla, rośliny buntowały się i zaczynały je degradować. Badacze nie byli w stanie zatrzymać tych wysokoenergetycznych związków w liściach. Jednak próby wciąż trwają. W ramach blisko czteromilionowego grantu z Narodowego Centrum Nauki, pozyskanego w konkursie Sonata Bis 9, prof. Agnieszka Zienkiewicz realizuje projekt "Jak zatrzymać tłuszcze w liściach? Rozszyfrowanie zależności pomiędzy akumulacją a degradacją tłuszczów podczas starzenia się liści"

Z jednej strony mamy do dyspozycji nadekspresję genów zaangażowanych w syntezę tłuszczów zapasowych w liściach, a z drugiej próbujemy "wyłapać" te geny, które kodują białka zaangażowane w ich degradację  – tłumaczy biolożka. - Czyli działamy na dwóch płaszczyznach: synteza i degradacja.

Rośliny modelowe

Prof. Zienkiewicz pracuje na dwóch gatunkach roślin: jednoliściennym i dwuliściennym. Jednoliścienny to kłosownica dwukłoskowa (Brachypodium distachyon), a dwuliścienny - rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). Arabidopsis thaliana to modelowa roślina dwuliścienna. Naukowcy znają cały jej genom. Dzięki temu w cztery miesiące są w stanie wyhodować roślinę transgeniczną, z odpowiednio zmodyfikowanymi genami. Brachypodium distachyon rośliną modelową została kilka lat temu. Wcześniej badacze pracowali na ryżu, który jest niezwykle popularny w Azji. Wykorzystywali go Japończycy i Chińczycy, tak jak np. Hiszpanie wykorzystują do badań oliwkę europejską. Brachypodium odkryli dla nauki Amerykanie, a swoją popularność roślina ta zawdzięcza łatwej uprawie w warunkach laboratoryjnych i stosunkowo małemu genomowi. Jednak w tym przypadku wyhodowanie roślin transgenicznych trwa około roku.

Badania prowadzę dwutorowo – tłumaczy prof. Zienkiewicz. - Po pierwsze zależy mi na zidentyfikowaniu lipaz zaangażowanych w degradację ciał tłuszczowych w liściach. Jeśli mi się to uda, będę mogła stworzyć mutanta, roślinę transgeniczną, która nie będzie degradować tłuszczów. Dodatkowo jeżeli uda mi się do takich roślin "włożyć" gen odpowiedzialny za syntezę tłuszczów, uzyskam rośliny o ich wysokiej zawartości, bo nie będą one degradowane.

Naukowcy uspokajają, że rośliny transgeniczne nie są niczym złym. Badacze nie przeszczepiają roślinie obcych genów, tylko przenoszą te, które już w niej występują. - Naszym celem jest ich włączenie i wyłączenie w konkretnym miejscu i czasie. Chodzi tylko o to, by nie wywołując negatywnych skutków ubocznych, pozwoliły nam na uzyskanie pożądanych efektów. Jednym słowem: to są puzzle, musimy wszystko włożyć na swoje miejsce, żeby zadziałało bez większej szkody dla rośliny.

Biolodzy obserwują rośliny transgeniczne i sprawdzają, czy po zabawie z genami rzeczywiście akumulują one więcej tłuszczów. Sprawdzają Brachypodium - roślinę jednoliścienną, podobnie większość zbóż. Jeśli dokładnie ją przebadają w warunkach laboratoryjnych, łatwiej będzie przełożyć wyniki na uprawę roślin takich jak kukurydza i zboża.

Oczywiście między eksperymentami w laboratorium a opracowaniem nowych odmian roślin jest bardzo długa droga – mówi prof. Zienkiewicz.

Ciekawym przypadkiem jest rzepak – roślina typowo oleista, która należy do tej samej rodziny co modelowy Arabidopsis thaliana. Ewentualna modyfikacja genetyczna rzepaku, w wyniku której z nasion można by produkować olej jadalny, a z liści i łodyg biopaliwa, byłaby spełnieniem marzeń naukowców z Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii UMK. - Oczywiście między eksperymentami w laboratorium a opracowaniem nowych odmian roślin jest bardzo długa droga – mówi prof. Zienkiewicz. - Jeżeli uda nam się wskazać odpowiednie geny, zbadać cały proces i zatrzymać tłuszcze w liściach, zrobimy pierwszy krok w tym kierunku.

Biolodzy zauważyli, że gdy przenoszą geny z miejsca, w którym umieściła je natura, do innej lokalizacji, rośliny są nieszczęśliwe i zaczynają się buntować. Już w czasie badań prowadzonych w USA prof. Zienkiewicz zauważyła u Brachypodium intensywną degradację ciał tłuszczowych, w czasie której powstawały toksyczne kwasy tłuszczowe powodujące śmierć komórkową i znacznie pogarszające kondycję liści. Dlatego teraz naukowcy muszą rozwiązać ten problem i znaleźć mechanizm, który pozwoli produkować tłuszcze w taki sposób, żeby się od razu nie degradowały, a jednocześnie żeby nie szkodziły roślinie. - W USA pracowałam też na wektorach z promotorami genów, które ulegały ekspresji tylko w łodydze – mówi biolożka z ICNT. - Chodziło o to, żeby namnożyć tłuszcze w samej łodydze, która nie jest aż tak zaangażowana w proces fotosyntezy, a liście zostawić w spokoju. To również nie było proste, ponieważ niektóre z promotorów działały lepiej, inne gorzej, a część ulegała równoczesnej ekspresji w liściach.

Są też grupy naukowców prowadzących badania w innym kierunku niż prof. Zienkiewicz. Jesienią liście żółkną i obumierają. Dlatego część badaczy zaczęła wykorzystywać promotory ulegające ekspresji tylko wtedy. Dzięki temu liście namnażałyby tłuszcze tylko pod koniec swojego życia, ale przez to trzeba by je szybko zebrać i wykorzystać do produkcji biopaliw, zanim uschną.

Należy też pamiętać, że badacze mogą znaleźć konkretny promotor i zgromadzić tłuszcze w liściach, ale musi być ich odpowiednio dużo, żeby uprawa się opłacała. - Zobaczę jedno ciałko tłuszczowe i jestem zadowolona, bo biologicznie wszystko działa, ale firma, która mogłaby wprowadzić te wynalazki w życie, powie: my na tym nie zarobimy – zauważa prof. Zienkiewicz.

Roślinna autofagia 

Biolożka uważa, że nawet jeśli nie przełamie bariery technologicznej pozwalającej gromadzić tłuszcze w liściach, to i tak wyselekcjonowanie nowych genów kodujących lipazy będzie niezwykle ciekawe i przydatne dla przyszłych odkrywców. - Dodatkowo badam też degradację ciał tłuszczowych przez autofagię, czego u roślin właściwie nikt nie robi – mówi prof. Zienkiewicz. - Autofagia to naturalny proces oczyszczania organizmu z uszkodzonych części komórek występujący u zwierząt i roślin. Polega na rozkładzie pojedynczych molekuł oraz całych organelli przez same komórki organizmu.

Obecnie bardzo mało wiadomo o degradacji ciał tłuszczowych przez autofagię u roślin. - Takie badania zaczęłam w Niemczech i wraz z koleżanką dr Magdaleną Miklaszewską, obecnie pracującą na Uniwersytecie Gdańskim, kończę publikację na ten temat – mówi prof. Zienkiewicz. – Analizowałam autofagię w nasionach. To nowy temat w naszej dziedzinie. Chcę kontynuować badania na liściach i łodydze, żeby zobaczyć, czy w obu tych organach za degradację ciał tłuszczowych odpowiedzialne są te same mechanizmy. Dlatego w moim projekcie "Jak zatrzymać tłuszcze w liściach" badamy zarówno degradację ciał tłuszczowych przez lipazy, jaki i przez autofagię.

Naukowcy nawet w przybliżeniu nie chcą określać, ile czasu zajmą im badania, bo nad podobnymi rozwiązaniami pracuje kilka zespołów na świecie. Wspierają się i współpracują ze sobą. – Sama nie jestem w stanie zrobić wszystkiego – zastrzega prof. Zienkiewicz. – Ułożę kawałek układanki i zobaczymy, jak szybko uda nam się to wszystko połączyć w całość. Ja zajmuję się tłuszczami, ktoś inny bada, jak zablokować syntezę cukrów, może kiedyś zepniemy to wszystko i taki podwójny mutant zadziała jeszcze lepiej, niż zakładamy.