Een nieuwe techniek maakt het mogelijk om het DNA van planten te bewerken door ze met een plantenspuit te besproeien. Met de technologie kunnen de eigenschappen van gewassen die in het veld staan te groeien gemakkelijk worden aangepast.
Het onderzoeksteam testte de techniek op verschillende planten, waaronder tarwe, maïs, gerst en sorgo. Ze gebruikten een plantensproeier om de bladeren te besproeien met water. Dat water bevatte koolstof nanodeeltjes waar DNA aan vast zat. Het DNA, dat codeert voor een fluorescerend eiwit, kwam terecht in de cellen in de bladeren van de planten. Daardoor gaven deze groen licht onder uv-licht.
‘Het bleek zo simpel’, zegt onderzoeksleider Heather Whitney van de universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk. ‘Het was echt verrassend hoe eenvoudig het was.’ De techniek is een enorme vooruitgang ten opzichte van conventionele methoden om DNA in planten te krijgen, die een stuk complexer zijn om toe te passen.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Landurig
Het gesproeide DNA bleek echter niet opgenomen te worden in het genoom van de cellen. Dat betekent dat het na verloop van tijd zou afbreken. Om dat probleem te omzeilen, gingen Whitney en haar collega’s een stap verder. Ze rusten de koolstof nanodeeltjes uit met DNA dat codeert voor CRISPR-mechanisme dat gebruikt wordt voor DNA-bewerking. Zo konden ze het genoom van de cellen in de bladeren binnendringen en bewerken.
De resultaten moeten nog worden bevestigd door andere onderzoeksteams. Als de techniek werkt, dan het plantenonderzoek in een stroomversnelling belanden. Het zou ook kunnen leiden tot nieuwe manieren om gewassen te verbeteren en te beschermen, en om planten in bio-fabriekjes te veranderen. Zulke planten zouden stoffen kunnen maken, zoals smaakstoffen en farmaceutische producten.
‘Het is onvoorstelbaar’, zegt moleculair-bioloog Ignacio Rubio Somoza van het onderzoekscentrum naar landbouwgenomica in Spanje. Hij is van plan om de methode te proberen. ‘Ik denk dat het een behoorlijk grote vooruitgang is.’
Sproeien maar
Voor genetische modificatie in planten is de bacterie Agrobacterium momenteel het belangrijkste gereedschap. Onderzoekers gebruiken het om nieuwe stukjes DNA in planten te krijgen. Maar dit werkt alleen in sommige planten, en gebruik van deze techniek buiten het laboratorium is niet praktisch en riskant.
Ook kan men een zogenaamd ‘gen-geweer’ gebruiken om DNA in de plantencellen te krijgen. Maar dit kan planten beschadigen en is op grote schaal moeilijk te realiseren.
Veel teams werken aan betere manieren om planten genetisch te modificeren. Whitney besloot om de koolstof nanodeeltjes te proberen, die gemaakt worden door haar collega Carmen Galan. Deze deeltjes, carbon dots, zijn ontdekt in 2004. Het zijn balvormige koolstofdeeltjes kleiner dan tien nanometer, die bevestigd kunnen worden aan andere moleculen. Carbon dots komen voor in de natuur. Ze kunnen ontstaan wanneer koolstofverbindingen verbranden. ‘We hebben ze in koffie en in aarde gevonden’, zegt Galan.
Galan maakt rood-fluorescerende dots voor Whitney, door suikers in een magnetron te verwarmen. Daarna hecht ze een polymeer aan de dots, genaamd polyethyleenglycol. Dat polyethyleenglycol trekt vervolgens elektrostatisch DNA-moleculen aan.
Wanneer ze op bladeren worden gesproeid, komen de koolstofdeeltjes in bijna elke cel op het bladoppervlak. Tot een derde van deze cellen gebruikt het toegevoegde DNA om nieuwe eiwitten te maken. Experimenten van het team laten zien dat de koolstofdeeltjes niet giftig zijn, en zelfs de plantengroei kunnen stimuleren.
Zorgen over veiligheid
Tot nog toe is het team er niet in geslaagd om eicellen in de eierstokken van planten of stamcellen in groeiende scheuten te modificeren. Dat is een nadeel, want het het zou veiliger zijn dan het besproeien van velden van planten. Genetische modificaties worden dan niet doorgegeven aan toekomstige generaties, en aanpassingen zouden zich niet verspreiden onder wilde planten.
‘Het is een behoorlijk opwindend artikel’, zegt scheikundige Markita Landry van de universiteit van Californië in Berkeley. Onlangs kreeg zij zelf DNA in plantencellen met behulp van koolstofnanobuisjes. Daarvoor moest zij wel de nanobuisjes de bladeren in forceren met injecties. Alleen spuiten werkte niet.
Het onderzoek van Whitney bevindt zich in een vroeg stadium en veel vragen blijven onbeantwoord, zoals hoe de carbon dots in de cellen terechtkomen. ‘Er is zoveel dat we niet weten’, zegt Whitney. ‘Misschien wordt de techniek wel nooit zo ver geoptimaliseerd dat het ook op velden kan worden toegepast.’
Genetische modificatie door besproeiing kan misbruikt worden, bijvoorbeeld om gewassen te vergiftigen. Maar Whitney wijst erop dat iedereen die voedsel wil vergiftigen, dat op veel makkelijkere manieren kan doen.
Om te bepalen of het sproeien van koolstof deeltjes schadelijk kan zijn voor dieren, is meer onderzoek nodig. De deeltjes kunnen terechtkomen in cellen van zoogdieren die in schaaltjes in het laboratorium groeien, zegt Galan, maar als ze in het lichaam terechtkomen, worden ze opgeruimd door het immuunsysteem.
