IZRAELSKI znanstvenici nedavno su objavili da su pomoću CRISPR-Cas9 tehnologije (ili kraće CRISPR-Cas ili samo CRISPR) prvi put uspjeli uzgojiti rajčice koje troše manje vode bez smanjenja uroda, kvalitete i okusa plodova.

U novom, revolucionarnom otkriću stručnjaci sa Sveučilišta u Tel Avivu uspjeli su uređivanjem genoma uzgojiti različite sorte rajčice s većom učinkovitošću u korištenju vode.

Što je tehnologija CRISPR?

CRISPR-Cas9 je tehnologija koja se koristi za modificiranje gena. Ime ove tehnologije sastoji se od dva dijela: CRISPR i Cas9. CRISPR je skraćenica za "clustered regularly interspaced short palindromic repeats" i odnosi se na ponavljajuće sekvence u genomu bakterija.

Cas9 je enzim koji se koristi za cijepanje, odnosno rezanje DNA na točno određenim mjestima.

Bakterije ovaj sustav koriste kao obrambeni mehanizam protiv virusa i drugih mobilnih genetskih elemenata koji ih pokušavaju napasti. Kada virus napadne bakteriju, ona se štiti tako što cijepa virusnu DNA i tako virusu onemogućuje replikaciju. Bakterija pritom u svoj genom pohranjuje isječeni dio virusne DNA kao uzorak kako bi upotrijebila isti obrambeni obrazac ako joj se ponovi napad istog virusa.

Znanstvenici su tu tehnologiju preuzeli od bakterija i redizajnirali je za potrebe modifikacije genoma, odnosno genetičko inženjerstvo najnovije generacije.

CRISPR se već koristi za brojne korisne svrhe

Kada se ova tehnologija primijeni na ljudski genom, njome se može izmijeniti ili ukloniti određeni dio DNA, što može imati različite primjene u medicini i biotehnologiji. Istom tehnologijom mogu se liječiti genske bolesti (npr. odobrena je genska terapija za srpastu anemiju) ili mijenjati svojstva biljaka, odnosno usjeva.

Biljke dobivene CRISPR-Cas tehnologijom ne smatraju se GMO-ima

Biljke modificirane CRISPR-Cas tehnologijom ne smatraju se GMO-ima (genetski modificiranim organizmima) u istoj kategoriji kao klasični GMO-usjevi. Razlozi leže u specifičnostima ove tehnologije:

Preciznost: CRISPR-Cas omogućuje precizno uređivanje genoma biljaka. Ova tehnologija ciljano mijenja specifične gene bez unošenja stranih gena u organizam, za razliku od uobičajenih GMO-usjeva koji često uključuju tuđe gene.

Prirodna varijabilnost: U biljkama uređenim CRISPR-Cas tehnologijom promjene su slične onima koje se prirodno javljaju putem mutacija. Ove promjene ne ostavljaju rekombinantnu DNA, što znači da se biljke ne razlikuju od prirodnih varijacija. Štoviše, ovom tehnologijom uglavnom se utišavaju aktivnosti ciljanih gena umjesto da se unose novi.

Zbog ovih svojstava CRISPR-Cas tehnologija smatra se sličnom promjeni gena mutagenezom, koja se već desetljećima koristi u klasičnoj poljoprivredi za namjerno izazivanje mutacija u genima biljaka kako bi se promijenila njihova svojstva. Taj konvencionalni proces uključuje mutagenezu raznim agensima kao što su zračenje i izlaganje kemijskim spojevima poput etil-metansulfonata.

U konvencionalnoj poljoprivredi, nakon izlaganja biljaka mutagenima, provodi se selekcija. Biljke sa željenim svojstvima (npr. otpornost na bolesti, veći prinos i sl.) odabiru se za daljnji uzgoj.

Nakon toga slijedi križanje, testiranje i konačno odobravanje za proizvodnju.

Tu treba imati na umu da metoda koja se koristi u konvencionalnoj poljoprivredi nije specifična za pojedinačne gene pa može uzrokovati nepredvidive promjene. U usporedbi s CRISPR-Cas tehnologijom, mutageneza je manje precizna pa su i ishodi neizvjesniji.

Izraelsko istraživanje

Novo izraelsko istraživanje provedeno je u laboratorijima prof. Shaula Yalovskyja i dr. Nira Sadea, a vodio ga je tim istraživača sa Škole za biljne znanosti i sigurnost hrane na Sveučilištu Wise Faculty of Life Sciences u Tel Avivu. Rezultati studije objavljeni su u znanstvenom časopisu PNAS.

Znanstvenici tumače da u svjetlu globalnog zatopljenja i smanjenja resursa slatke vode raste potreba za poljoprivrednim usjevima koji troše manje vode bez smanjenja prinosa. 

Djelovanje na puči kroz koje biljka gubi vodu, ali unosi CO2

Zašto je to teško postići? U procesu koji se naziva transpiracija biljke isparavaju vodu iz lišća. Istovremeno, ugljikov dioksid (CO₂) ulazi u lišće te se fotosintezom, koja se također odvija u lišću, asimilira u šećer. Ova dva procesa - transpiracija i unos ugljikova dioksida - odvijaju se istovremeno kroz posebne otvore na površini lišća koji se nazivaju puči, odnosno stomate. Puči se mogu otvarati i zatvarati te služe kao mehanizam kojim biljke reguliraju razine vode i CO₂.

Biljke za suša prirodno zatvaraju puči

Znanstvenici ističu da u uvjetima suše biljke reagiraju zatvaranjem puči, čime se smanjuje gubitak vode transpiracijom.

No problem je u tome što zbog neraskidive sprege između transpiracije vode i unosa CO₂ zatvaranje puči također dovodi do smanjenja unosa CO₂. Ovo smanjenje dovodi, pak, do smanjenja proizvodnje šećera fotosintezom. Budući da se biljke oslanjaju na šećer koji nastaje fotosintezom kao osnovni izvor energije, smanjenje ovog procesa nepovoljno utječe na njihov rast.

Kod usjeva se pad fotosintetske proizvodnje šećera očituje kao pad količine i kvalitete prinosa. Kod rajčice se, primjerice, šteta na usjevu ogleda u smanjenju broja plodova, njihove težine i količine šećera u svakom plodu. Plodovi s nižim udjelom šećera manje su ukusni i manje hranjivi.

Inaktiviranje ključnog gena

U novoj studiji znanstvenici su inducirali modifikaciju u rajčici koristeći metodu CRISPR-Cas, kojom su ciljano inaktivirali gen poznat kao ROP9.

ROP proteini funkcioniraju kao molekularni prekidači tako što svoje stanje izmjenjuju između aktivnog i neaktivnog.

Prof. Yalovsky je izjavio da je njegov tim otkrio da eliminacija gena ROP9 tehnologijom CRISPR-Cas uzrokuje samo djelomično zatvaranje puči, i to u uvjetima visoke temperature.

"Ovaj učinak posebno je izražen tijekom podneva, kada je brzina gubitka vode iz biljaka u procesu transpiracije najveća. Suprotno tome, ujutro i poslijepodne, kada je stopa transpiracije manja, nije bilo značajne razlike u brzini gubitka vode između kontrolnih biljaka i biljaka s inaktiviranim ROP9. Budući da su puči ostale otvorene ujutro i poslijepodne, biljke su mogle apsorbirati dovoljno ugljikova dioksida, čime je spriječen svaki pad u proizvodnji šećera fotosintezom, čak i tijekom poslijepodnevnih sati kada su puči bile zatvorenije u biljkama s modificiranim ROP9", dodao je.

Rajčice su testirane u polju

Kako bi procijenili utjecaj oslabljenog ROP9 na usjev, znanstvenici su proveli opsežan poljski pokus koji je uključivao stotine biljaka. Rezultati su pokazali da to što su biljke s modificiranim ROP9 gubile manje vode tijekom procesa transpiracije nije negativno utjecalo na fotosintezu, količinu usjeva ili kvalitetu, odnosno količinu šećera u plodovima.

Otkriće se može primijeniti i na druge biljke

Značaj ove studije je u tome što je identificirala novi i neočekivani mehanizam za regulaciju otvaranja i zatvaranja puči, povezan s razinom oksidirajućih tvari u njima. 

Dr. Sade ističe da postoji velika sličnost između proteina ROP9 u rajčicama i proteina ROP koji se nalaze u drugim usjevima kao što su paprika, patlidžan i pšenica.

"Stoga bi otkrića detaljno opisana u našem članku mogla predstavljati temelj za razvoj drugih usjeva s poboljšanom učinkovitošću korištenja vode, kao i za dublje razumijevanje mehanizama koji stoje iza otvaranja i zatvaranja puči", rekla je Sade.

Europski parlament odobrio CRISPR tehnologiju

Dr. sc. Nenad Malenica sa Zavoda za molekularnu biologiju Biološkog odsjeka PMF-a u Zagrebu ovo otkriće smatra vrlo zanimljivim.

"Ono demonstrira mogućnosti novih tehnika oplemenjivanja biljaka koje su ovih dana prošle usvajanje u Europskom parlamentu, a koje će biti nužne za prilagodbu poljoprivredne proizvodnje u uvjetima klimatskih promjena te će pomoći u provedbi EU plana Zelene tranzicije", rekao je Malenica.

Naime, EP je u srijedu tijesnom većinom od 307 glasova za, 263 protiv i 41 suzdržanim glasom podržao upotrebu novih genomskih tehnika u poljoprivredi. Ishod glasanja mnoge je iznenadio jer su političari europskih zemalja tradicionalno vrlo skeptični prema korištenju bilo kakvih biotehnologija u poljoprivredi unatoč jakim znanstvenim argumentima. Čini se da je ozbiljnost situacije s klimatskim promjenama konačno djelovala urazumljujuće.

U svojem obrazloženju izvješća švedska eurozastupnica Jessica Polfjärd objasnila je da "nove genomske tehnike pružaju dosad nezabilježene mogućnosti za europsku poljoprivredu i proizvodnju hrane".

"Ako želimo da EU bude pionir u novim tehnologijama, trebamo regulatorni okvir koji to čini mogućim", kazala je Polfjärd dan ranije u raspravi u EP-u.

U izvješću se navodi da će se korištenjem novih genomskih tehnika povećati otpornost prehrambenog sustava jer će biljke dobivene novim genomskim tehnikama biti otpornije na klimatske promjene i nametnike, a zahtijevat će i manje gnojiva ili pesticida.

***

Novu knjigu Indexovog znanstvenog novinara Nenada Jarića Dauenhauera, koja tematizira najkontroverznije i najzanimljivije teme u znanosti poput klimatskih promjena, pseudoznanosti, pandemije, GMO-a i nuklearki, možete nabaviti ovdje.