استفاده از باکتری برای کمک به دستکاری ژنتیک گیاه

تقریباً ده سال از روزی که که مجله علمی Science ، اپتوژنتیک را "دستاورد دهه" نامید،  می گذرد. به زبان ساده ، این روش امکان کنترل فعالیت الکتریکی سلول‌ها با پالس های نور را فراهم می کند. دانشمندان با کمک آن می‌توانند به عنوان مثال درک جدیدی در مورد عملکرد سلول‌های عصبی بدست آورند، بنابراین بیماری‌های عصبی و روانی مانند افسردگی و اسکیزوفرنی را بهتر درک کنند.

دانشمندان دانشگاه جولیوس ماکسیمیلیانس از وورتسبورگ (JMU) موفق شده‌اند از روش‌های اپتوژنتیک در گیاهان توتون استفاده کنند. آنها نتایج کار خود را در مجله Nature Plants به چاپ رساندند. پروفسور گئورگ نگل، بنیانگذار اپتوژنتیک، می‌گوید: « دکتر کای کنراد از گروه پروفسور هیدریش  و دکتر شیقیانگ گائو از گروه من عمدتا مسئول موفقیت این پروژه بودند.»

نگل می گوید: «اپتوژنتیک به معنای دستکاری سلول‌ها یا موجودات زنده توسط نور است که پس از ورود" حسگر نور "به آنها با استفاده از روش‌های مهندسی ژنتیک این کار انجام می‌شود.  به صورت ویژه، کانال کاتیونی کنترل شده با نور channelrhodopsin2 ، می‌تواند فعالیت سلول‌ها را مانند یک سوئیچ نور خاموش و روشن کند.»

گائو می‌گوید: «با این حال، در سلول‌های گیاهی، این فناوری فقط تا حدودی کار کرده است. این دو دلیل اصلی دارد. اول این که اصلاح ژنتیکی گیاهان به گونه‌ای که از نظر عملکردی رودوپسین تولید کنند، دشوار است. علاوه بر این، آنها فاقد فاکتور مهمی هستند که بدون آن رودوپسین نمی تواند کار کند. این فاکتور ویتامین A است.»

پروفسور ناگل، دکتر گائو، دکتر کنراد و همکاران هم اکنون توانسته اند هر دو مشکل را برطرف کنند. آنها موفق به تولید ویتامین A در گیاهان توتون و تنباکو با استفاده از یک آنزیم تزریق شده توسط یک باکتری دریایی شده اند، بنابراین این دستاورد ترکیب بهتر رودوپسین را در غشای سلول امکان پذیر می‌کند. این فناوری برای اولین بار اجازه می‌دهد دستکاری غیر تهاجمی گیاهان سالم یا سلول‌های انتخاب شده توسط نور از طریق کانال موسوم به آنیون رودوپسین GtACR1 صورت گیرد.

پروفسور ناگل و همکارانش با استفاده از ترفند ژنتیکی ارائه شده، گیاهانی تولید کرده اند که علاوه بر رودوپسین، یک آنزیم ویژه به نام دیوکسیژناز نیز تولید می‌کند. این گیاهان سپس می‌توانند ویتامین A را  که به طور معمول در گیاهان وجود ندارد، از پروویتامین A که در کلروپلاست گیاه وجود دارد، تولید کنند. ترکیبی از تولید ویتامین A و بهینه سازی رودوپسین ها برای استفاده در گیاهان در نهایت محققان را به موفقیت رساند.

رودوپسین یک رنگدانه حساس به نور است که اساس بینایی موجودات زنده را تشکیل می دهد. این واقعیت که می‌توان یک پمپ یونی حساس به نور را با کمک باکتری‌ (باکتریورودوپسین) در سلول‌های مهره داران گنجانید و در آنجا فعال کرد، اولین بار توسط گئورگ ناگل در سال 1995 همراه با ارنست بامبرگ در موسسه بیوفیزیک ماکس پلانک در فرانکفورت نشان داده شد.