Нелегко быть зеленым. Для создания фотосинтетического механизма, необходимого растениям для использования солнечного света для роста, требуются тысячи генов. И все же исследователи точно не знают, как работают эти гены.
Теперь группа исследователей из Принстонского университета создала общедоступную «библиотеку», чтобы помочь исследователям выяснить, что делает каждый ген. Используя библиотеку, команда идентифицировала 303 гена, связанных с фотосинтезом, в том числе 21 недавно обнаруженный ген с высоким потенциалом для нового понимания этого поддерживающего жизнь биологического процесса. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Genetics..
«Часть растения, отвечающая за фотосинтез, подобна сложной машине, состоящей из множества частей, и мы хотим понять, что делает каждая часть», - сказал Мартин Йоникас, доцент кафедры молекулярной биологии в Принстоне. «Мы надеемся, что эта библиотека станет одним из фундаментов, на которых люди будут строить открытия нового поколения».
Раскрытие роли каждого гена может позволить исследователям спроектировать растения так, чтобы они росли быстрее, потенциально удовлетворяя будущие мировые потребности в продовольствии. Растения также потенциально можно изменить, чтобы они поглощали больше углекислого газа, помогая решать климатические проблемы.
Библиотека, финансируемая в значительной степени за счет гранта Национального научного фонда, состоит из тысяч одноклеточных, обитающих в пруду водорослей, известных как Chlamydomonas reinhardtii, или Chlamy для краткости. Каждая «книга» в библиотеке представляет собой штамм Chlamy с единственной мутацией. Более 62 000 мутантных штаммов, хранящихся в Ресурсном центре хламидомонады Университета Миннесоты, охватывают более 80 процентов генов хламидомонады.
Подобные библиотеки были созданы для других одноклеточных организмов, таких как дрожжи, но это первая подобная попытка для любого одноклеточного фотосинтезирующего организма. Быстрый рост одноклеточных организмов делает их ценными инструментами для исследований.
«Поскольку этот вид водорослей часто используется в качестве модели для понимания более широкого спектра биологических процессов, эта библиотека будет важным ресурсом», - сказала Карен Коун, программный директор Национального научного фонда, который был основной спонсор этого исследования. «Партнерство между группой Jonikas и Ресурсным центром Chlamydomonas расширяет доступ сообщества к этому ценному ресурсу, что, в свою очередь, позволит делать новые открытия, особенно в одной из приоритетных областей исследований NSF - «Понимание правил жизни»».
Из-за различных проблем, присущих геному Chlamy, на выполнение проекта ушло девять лет. На протяжении всего проекта исследователи использовали роботов, чтобы поддерживать жизнь поколений клеток, меняя жидкую среду, богатую питательными веществами, в которой они живут.
Проект начался в 2010 году, когда Йоникас и его команда работали в Научном институте Карнеги в кампусе Стэнфордского университета, и был завершен в Принстоне, куда лаборатория Йоникаса переехала в 2016 году. Проект был реализован в сотрудничестве с Артуром Гроссманом, старший научный сотрудник Карнеги и Ресурсного центра по хламидомонаде, которым руководит Пол Лефевр, профессор биологии растений и микробов в Университете Миннесоты.
Возможность наблюдать за клеткой Chlamy с одним дефектным геном среди всех остальных функционирующих генов позволяет исследователям выяснить, что делает этот ген. Например, если у клетки есть проблемы с движением, то функция дефектного гена, скорее всего, связана с управлением движением.
Йоникас сравнил библиотеку мутантов Chlamy с библиотекой, содержащей тысячи копий руководства по сборке автомобиля, причем в каждой копии отсутствует отдельный раздел. Независимо от того, какое руководство использовалось, в полученном автомобиле отсутствовала деталь, из-за чего он не мог работать должным образом.
«Может не сработать звуковой сигнал или не повернуться руль», - сказал Йоникас. «Тогда вы бы знали, что недостающий раздел содержит инструкции для этой части автомобиля».
Библиотека позволяет исследователям одновременно тестировать несколько мутантных штаммов Chlamy, поскольку каждая мутация помечена уникальным «штрих-кодом ДНК». Для текущего исследования исследователи поместили тысячи штаммов Chlamy в одну колбу и подвергли их воздействию света. Штаммы, которые не росли, с большей вероятностью содержали ген, участвующий в фотосинтезе.
Одним из недавно идентифицированных генов является CPL3, который, как считается, играет роль в накоплении белковых «частей» фотосинтетического механизма. В настоящее время команда изучает, помогает ли этот ген водорослям приспосабливать свою фотосинтетическую активность к изменениям уровня солнечного света.
Библиотека мутантов может помочь в исследованиях в других областях биологии растений, таких как внутриклеточная коммуникация и способность Chlamy передвигаться по окружающей среде с помощью хвостообразной реснички.
Сяобо Ли, первый автор исследования, был научным сотрудником в Принстоне, когда команда завершила работу над библиотекой. «Мы надеемся, что библиотека мутантов Chlamydomonas и идентифицированные гены приведут к многочисленным фундаментальным открытиям в области фотосинтеза, подвижности клеток и многих других процессов», - сказал Ли.
Вероника Патена, старший аналитик по биоинформатике в лаборатории Йоникаса, написала компьютерные программы для анализа больших объемов данных с целью выявления генов, наиболее вероятно участвующих в фотосинтезе. «Я считаю, что успех этого проекта значительно ускорит исследования фотосинтеза и других процессов, для которых Chlamy является хорошей моделью, и принесет большую пользу научному сообществу», - сказала она.