Автоматизированная платформа для скрининга хлоропластов ускорит создание новых свойств сельскохозяйственных культур

Хлоропласты — «световые электростанции» растительных клеток — всё чаще становятся объектом внимания синтетической биологии. Эти органеллы содержат фотосинтетический аппарат и являются местом протекания нескольких метаболических путей, представляющих большой интерес для конструирования новых признаков. Вставка генов в хлоропласты отличается точностью и сопряжена с меньшим риском распространения чужеродных генов.

Планшет с культурой водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Исследователи из Института Макса Планка в Марбурге разработали тестовую платформу, которую можно использовать для параллельного создания и анализа тысяч линий водорослей с модифицированными геномами хлоропластов. Автор: MPI for Terrestrial Microbiology / Gina Bolle

Несмотря на этот потенциал, биотехнология хлоропластов всё ещё находится в зачаточном состоянии из-за отсутствия стандартизированных, масштабируемых методов для быстрого тестирования разнообразных генетических компонентов. Исследовательская группа из Института наземной микробиологии Макса Планка в Марбурге представила платформу на основе микроводорослей, которая позволяет проводить автоматизированное, быстрое и крупномасштабное тестирование генетических модификаций хлоропластов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Plants.

Автоматизированный высокопроизводительный скрининг на уровне хлоропластов

В микробиологии оптимизация с помощью повторяющихся быстрых циклов является стандартной практикой. Эта платформа впервые открывает хлоропласты растений для высокопроизводительных применений. Исследователи использовали микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii. Рене Инкеманн, который проводил работу в группе Тобиаса Эрба, поясняет: «Нам удалось охарактеризовать в водоросли более 140 регуляторных участков ДНК, охватывающих широкий диапазон силы экспрессии. Это необходимо для тонкой настройки генетических цепей».

Все компоненты совместимы с общебиотехнологическими стандартами, поэтому библиотеку ДНК можно легко использовать в других лабораториях. Например, специалист по растениям Феликс Вильмунд из соседнего Центра синтетической микробиологии уже провёл валидацию технологии и использует её для разработки устойчивых хлоропластов. Исследователи установили рабочий процесс, который позволяет генерировать и анализировать тысячи так называемых транспластомных линий водорослей — организмов с изменёнными геномами хлоропластов — параллельно.

В результате несколько генов теперь можно стабильно комбинировать в хлоропластах и предсказуемо балансировать их активность. Это важный шаг к определению того, какие модификации имеют реальный потенциал. Перенося только самые перспективные варианты в более сложные растительные модели, исследователи ускоряют процесс разработки от концепции до полевых испытаний и экономят ресурсы.

Культуры водорослей на шейкере. Автор: MPI for Terrestrial Microbiology / Gina Bolle

От хлоропластов к сельскохозяйственным культурам

В качестве доказательства концепции команда ввела синтетический метаболический путь в хлоропласты водоросли. Сконструированный путь позволил водоросли поглощать CO₂ более эффективно в условиях стресса, что привело к почти двукратному увеличению производства биомассы — «турбо-водоросль». Это демонстрирует, как целевые вмешательства в метаболизм хлоропластов могут повысить продуктивность.

Новая библиотека предоставляет прочную основу для широкого спектра исследований, таких как повышение устойчивости растений к жаре, засухе или избыточному свету, улучшение питательного профиля или увеличение урожайности. Она также может служить платформой для создания новых путей фиксации углерода или производства ценных природных соединений (например, прекурсоров фармацевтических препаратов).

«Платформа, которую мы представляем здесь, будет играть центральную роль в исследовательском консорциуме Robust Chloroplast, а также в кластере передового опыта Microbes‑4‑Climate, где вместе с Марбургским университетом мы стремимся разработать новые биологические решения для борьбы с изменением климата», — говорит Эрб. — «Такие ключевые технологии необходимы для целенаправленных исследований в темпе, соответствующем срочности климатической проблемы».

Хлоропласты, в отличие от ядерной ДНК, обычно наследуются только по материнской линии, что снижает риск распространения генетических модификаций через пыльцу. Это делает их особенно привлекательными для создания биобезопасных ГМ-культур.