Bilim insanları bitkilerin büyümesinin ve sağlığının gizemlerini çözüyorlar
Genler, bir organizmanın hayatta kalması, gelişmesi ve üremesi için ihtiyaç duyulan tüm bigliye sahiptir. Öte yandan bir geni tanımlamak ve ne yaptığını anlamak birbirinden çok farklı iki şeydir. Birçok gen, açıklanamayan bilgiler içerir ve işlevleri bilim insanları tarafından bilinmemektedir. UC Riverside, Princeton Üniversitesi ve Stanford Üniversitesi tarafından yürütülen son araştırmalara göre, bazıları bitkilerde de bulunan alglerdeki yüzlerce genin işlevlerini ortaya çıkardı. Bu buluş, biyoyakıt üretimi için algleri genetik olarak değiştirme ve iklime dayanıklı tarımsal ürün türleri üretme girişimlerine yardımcı olacak.
UC Riverside'da Kimya ve Çevre Mühendisliği bölümünde çalışmanın yazarlarından Doç. Robert Jinkerson, “Bitki ve alg genetiği üzerinde yeterince çalışılmamıştır. Bu organizmalar, modern toplumun ihtiyaç duyduğu gıdaları, yakıtları, malzemeleri ve ilaçları yaparlar; ancak nasıl çalıştıkları konusunda tam bir bilgimiz yok. Bu da onlar üzerinde yapılan mühendislik çalışmalarını zorlaştırıyor. Biyoloji hakkında daha fazla bilgi edinmenin yaygın bir yolu, genleri mutasyona uğratmak ve ardından bunun organizmayı nasıl etkilediğini görmektir. Biyolojiyi kırarak nasıl çalıştığını görebiliriz” dedi.
Araştırmacılar, mutasyona uğramış algleri ve otomatik araçları kullanarak milyonlarca veri noktası oluşturan testler gerçekleştirdiler. Bu veri kümeleri analiz edilerek yüzlerce kötü karakterize edilmiş genin işlevsel rolü ortaya çıkarıldı ve önceden bilinen genlerin birkaç yeni işlevi de tanımlandı. Bu genlerin fotosentez, DNA hasar tepkisi, ısı stresi tepkisi, zehirli kimyasal tepki ve alg avcı tepkisinde rolleri vardı.
Alglerde keşfedilen genlerin birçoğunun bitkilerde aynı rollere sahip karşılıkları vardır. Bu sayede alg verileri bilim insanlarının bu genlerin bitkilerde nasıl çalıştığını anlamalarına yardımcı olabilir.
Laboratuvarda şişelerde büyüyen tek hücreli yeşil alg Chlamydomonas reinhardtii. Kaynak: Robert Jinkerson/UCR
On binlerce mutasyona uğramış bitkileri hızlı bir şekilde analiz etmeye yönelik otomatik yaklaşımlar, yüksek verimli yöntemler olarak da bilinirler, tipik olarak maya ve bakteri gibi model sistemlerde gen işlevini genom çapında bir ölçekte anlamak için kullanılır. Bu, her bir geni ayrı ayrı incelemekten daha hızlı ve daha verimlidir. Bununla birlikte, daha büyük boyutları ve binlerce bitkinin analiz edilmesinin zorluğu nedeniyle, yüksek verimli yöntemler ekin bitkilerinde çok iyi çalışmaz.
Bu nedenle araştırmacılar, bitkilerle yakından ilişkili ve genetik olarak değiştirilmesi kolay bir tür tek hücreli yeşil alg olan Chlamydomonas reinhardtii'nin 65 binden fazla mutasyona uğramış halini üretmek için yüksek verimli bir robot kullandılar. Araştırmacılar mutasyona uğramış algleri 121 farklı işleme tabi tuttular. Bu da 16.8 milyon veri noktasından oluşan bir veri seti ile sonuçlandı. Her mutasyona uğramış algin benzersiz bir DNA barkodu vardı. Böylelikle ekip, mutasyona uğramış alglerin belirli bir çevresel stres koşulunda nasıl olduğunu görmek için bu barkodları okudu.
Grup, yüzlerce gende yeni gen fonksiyonları keşfetti. Örneğin çok hücreli organizmalarda yaygın olarak bulunan bir genin hasarlı DNA'yı onarmaya yardımcı olduğu öğrenildi. Diğer 38 gen bozulduğunda ışıktan gelen enerjiyi kullanmada sorunlara neden oldu. Dolayısıyla bu genlerin fotosentezde rol oynadı ortaya çıktı.
Yine bir başka gen kümesi, fotosentezde ikinci önemli bir adım olan alglerin karbondioksiti işlemesine yardımcı oldu. Diğer kümeler, alglerin yüzmek için kullandığı küçük tüyleri veya kirpikleri etkiledi. Bu keşif, kısmen kusurlu silli motilitesinden (kendiliğinden hareket edebilme) kaynaklanabilecek bazı insan akciğer ve özofagus (yemek borusu) kanserlerinin daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir.
Yeni keşfedilen bir gen kümesi, algleri hücre iskeleti büyümesini engelleyen toksinlerden korudu. Bu genler bitkilerde de mevcuttur ve keşif, bilim insanlarının bazı kirli topraklarda bile iyi yetişen bitkiler geliştirmesine yardımcı olabilir.
Alglerde keşfedilen gen fonksiyonlarının çoğu bitkilerde de korunur. Bu bilgiler, iklim değişikliği dünyanın gıda arzını tehdit ettiği için giderek daha önemli hale gelecek olan ısı veya soğuk stresine, sıcaklık stresine karşı daha dayanıklı olacak veya fotosentezi iyileştirecek şekilde tesisleri tasarlamak için kullanılabilir. Alg genetiğinin daha iyi anlaşılması, biyoyakıt gibi daha fazla ürün üretimlerini sağlamak için mühendislik stratejilerini de geliştirecektir.
Jinkerson, "Bu çalışmada üretilen veriler ve bilgiler, daha fazla biyoyakıt yapmak ve mahsullerde çevresel stres toleransını iyileştirmek için alg mühendisliği yapmak için zaten kullanılıyor" eklemesinde bulundu.
Makale: “Systematic characterization of gene function in the photosynthetic alga Chlamydomonas reinhardtii” by Friedrich Fauser, Josep Vilarrasa-Blasi, Masayuki Onishi, Silvia Ramundo, Weronika Patena, Matthew Millican, Jacqueline Osaki, Charlotte Philp, Matthew Nemeth, Patrice A. Salomé, Xiaobo Li, Setsuko Wakao, Rick G. Kim, Yuval Kaye, Arthur R. Grossman, Krishna K. Niyogi, Sabeeha S. Merchant, Sean R. Cutler, Peter Walter, José R. Dinneny, Martin C. Jonikas, and Robert E. Jinkerson, 5 May 2022, Nature Genetics.
DOI: 10.1038/s41588-022-01052-9