เซ็กซี่บาคาร่า นักวิจัยชาวญี่ปุ่นพัฒนาเครื่องมือแก้ไขยีนใหม่เพื่อสร้างพืชที่ไม่ใช่ดัดแปลงพันธุกรรม

เซ็กซี่บาคาร่า การแสดงศิลปะของโครงการวิจัยการแก้ไข DNA คลอโรพลาสต์ของพืช นักวิจัยได้ออกแบบเทคนิคที่สามารถทำให้เกิดการกลายพันธุ์ของ DNA ของคลอโรพลาสต์ของพืชโดยไม่ทิ้งเทคโนโลยีพันธุวิศวกรรมใด ๆ ไว้เบื้องหลังให้สืบทอดมาจากคนรุ่นต่อไป การทดลองพิสูจน์แนวคิดเหล่านี้ประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ว่าสามารถสร้างพืชผลใหม่หรือพืชที่แข็งแรงกว่าได้โดยไม่ต้องใช้ฉลากอาหาร

จีเอ็มโอ © นภาพร อุชิดะ CC BY-SA 4.0

การผสมพันธุ์พืชผลที่ดีขึ้นผ่านพันธุวิศวกรรมเป็นไปได้มานานหลายทศวรรษ แต่การใช้พืชดัดแปลงพันธุกรรมถูกจำกัดด้วยความท้าทายทางเทคนิคและการโต้เถียงที่ได้รับความนิยม แนวทางใหม่อาจแก้ปัญหาทั้งสองอย่างได้โดยการปรับเปลี่ยนส่วนที่ผลิตพลังงานของเซลล์พืช จากนั้นจึงนำเครื่องมือแก้ไขดีเอ็นเอออก เพื่อไม่ให้เมล็ดพันธุ์ในอนาคตสืบทอดต่อจากนี้ เทคนิคนี้เพิ่งแสดงให้เห็นผ่านการทดลองพิสูจน์แนวคิดที่ตีพิมพ์ในวารสารNature Plantsโดยนักพันธุศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโตเกียว

รองศาสตราจารย์ Shin-ichi Arimura ซึ่งเป็นผู้นำกลุ่มที่ทำการวิจัยกล่าวว่า “ตอนนี้เรามีวิธีการปรับเปลี่ยนยีนคลอโรพลาสต์โดยเฉพาะและวัดศักยภาพของพวกมันในการสร้างพืชที่ดี

คลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นส่วนต่าง ๆ ของเซลล์พืชที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และแสงแดดเป็นน้ำตาล มี DNA ทรงกลมของตัวเองที่สร้างด้วยรหัส ATGC เดียวกันกับ DNA เกลียวคู่ในนิวเคลียสของเซลล์ อย่างไรก็ตาม คลอโรพลาสต์ดีเอ็นเอได้รับการบำรุงรักษาและสืบทอดโดยสมบูรณ์แยกจากดีเอ็นเอของนิวเคลียส ทุกเซลล์สามารถมีคลอโรพลาสต์ได้หลายตัว โดยแต่ละเซลล์มี DNA ของคลอโรพลาสต์เหมือนกันหลายชุด การเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกันจะต้องทำใน DNA ของคลอโรพลาสต์ทุกชุด หากการแก้ไขจีโนมมีผลที่เห็นได้ชัดเจนซึ่งลูกหลานของพืชสามารถสืบทอดได้

ในปี 1990 ผู้เชี่ยวชาญได้คิดค้นเทคนิคในการแทรกชิ้นส่วนดีเอ็นเอใหม่เข้าไปในจีโนมของคลอโรพลาสต์ แต่ยังแทรกแท็กหรือเครื่องหมายทางพันธุกรรมเพิ่มเติมด้วย

เป้าหมายของอาริมูระและเพื่อนร่วมงานของเขาคือการดัดแปลงพันธุกรรมที่เหมือนกันและสืบทอดได้เฉพาะส่วนที่เฉพาะเจาะจงของ DNA ของคลอโรพลาสต์โดยไม่ทิ้งเครื่องมือแก้ไขจีโนมไว้เบื้องหลังหรือเปลี่ยนแปลง DNA นิวเคลียร์อย่างถาวร พวกเขาเริ่มต้นด้วยเครื่องมือที่มีอยู่ซึ่งเรียกว่า TALEN TALEN ดั้งเดิมใช้โปรตีนขนาดใหญ่ที่จดจำลำดับ DNA สั้น ๆ ที่เฉพาะเจาะจงและตัด DNA นั้นด้วยเอนไซม์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กลุ่มวิจัยอื่นๆ ได้ปรับปรุงเทคโนโลยี TALEN: ลำดับการรู้จำ DNA สามารถปรับแต่ง ได้  และเอนไซม์ตัด DNA สามารถแทนที่ด้วยเอนไซม์ที่เปลี่ยนคู่ GC ในรหัส DNA เป็นคู่ AT

การเปลี่ยนแปลง GC เป็น AT เหล่านี้มีความละเอียดอ่อน เพียงแค่เปลี่ยนจุดหนึ่งของรหัส DNA เป็นอีกจุดหนึ่ง แทนที่จะแทรกหรือลบยีนทั้งหมด อย่างไรก็ตาม การกลายพันธุ์ของจุดอาจมีผลกระทบสำคัญๆ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของพวกมัน

ทีมงานของ Arimura ได้รวมการปรับปรุง TALEN เหล่านี้และเพิ่มส่วนประกอบ ทุกๆ การแก้ไขจีโนมที่นักวิจัยต้องการจะทำ พวกเขาจำเป็นต้องสร้างคู่ ptpTALECDs ด้านซ้ายและขวาที่เข้าคู่กันในแบคทีเรีย ขั้นตอนการออกแบบมีความซับซ้อน เนื่องจากคู่ของโปรตีน TALENs ขนาดใหญ่และสัญญาณการกำหนดเป้าหมายคลอโรพลาสต์จะต้องแสดงพร้อมกันเป็นหน่วยเดียวจาก DNA นิวเคลียร์

“การสร้าง ptpTALECD เป็นกระบวนการที่ลำบากอย่างยิ่ง แต่เรามีนักศึกษาระดับปริญญาโทที่ทุ่มเทอย่างมากซึ่งทำงานเกือบทั้งหมด Issei Nakazato” อาริมูระกล่าว Nakazato เป็นผู้เขียนผลงานวิจัยรายแรก

หลังจากออกแบบลำดับดีเอ็นเอ ptpTALECDs 

แล้ว นักวิจัยได้ใส่ลงในพืช Arabidopsis thaliana ซึ่งเป็นสายพันธุ์ของสาหร่ายทะเลที่พบได้ทั่วไปในห้องปฏิบัติการวิจัย นักวิจัยของ UTokyo มั่นใจว่าหลังจากสร้างพวกมันแล้ว ptpTALECDs สามารถแทรกเข้าไปในพืชผลหลายชนิดได้ เนื่องจากส่วนหนึ่งของกระบวนการนั้นเป็นขั้นตอนที่ตรงไปตรงมาและเป็นมาตรฐานในห้องปฏิบัติการการเกษตรและพฤกษศาสตร์

ptpTALECD เข้าสู่นิวเคลียสของพืช จากนั้นเซลล์จะผลิต ptpTALECD ในลักษณะเดียวกับที่ผลิตโปรตีนอื่นๆ ลำดับการกำหนดเป้าหมายของคลอโรพลาสต์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าโปรตีน ptpTALECD ที่เสร็จสิ้นแล้วจะถูกส่งออกจากนิวเคลียสไปยังคลอโรพลาสต์ โดยคาดว่าพวกมันจะแก้ไขจีโนมของคลอโรพลาสต์ทุกตัวที่พบ

พืชรุ่นแรกนี้ถือเป็นสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GMOs) เนื่องจาก DNA นิวเคลียร์ของพวกมันได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรเพื่อให้มีลำดับ ptpTALECD

เมื่อพืชดัดแปลงพันธุกรรมเหล่านี้สืบพันธุ์ด้วยตนเองผ่านการปฏิสนธิด้วยตนเองหรือกับพืชที่ไม่ผ่านการดัดแปลง (ป่า) พืชรุ่นต่อไปจะสืบทอด DNA นิวเคลียร์ในลักษณะปกติ ซึ่งหมายความว่ายีนจะถูกผสมและจับคู่ระหว่างออวุลและละอองเรณู เมล็ดบางชนิดสืบทอดลำดับ ptpTALECD และเมล็ดอื่นๆ ไม่สืบทอด

อย่างไรก็ตาม พืชมักจะสืบทอดคลอโรพลาสต์ของพวกมันทั้งหมดและสมบูรณ์โดยผ่าน “ออวุล” ของ “แม่” ดังนั้น ไม่ว่าพืชรุ่นต่อไปจะสืบทอด DNA นิวเคลียร์แบบใด หากพืชแม่ของพวกมันมีคลอโรพลาสต์ดัดแปลง คนรุ่นต่อไปก็จะสืบทอดคลอโรพลาสต์ที่ถูกดัดแปลงเสมอ

จากนั้นนักวิจัยจึงค้นหาลูกหลานเพื่อค้นหาพืชที่ไม่ได้รับการดัดแปลง DNA นิวเคลียร์ แต่ได้รับคลอโรพลาสต์ดัดแปลง สมาชิกของพืชรุ่นที่สองเหล่านี้และลูกหลานในอนาคตของพวกเขาสามารถถือเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ไม่ใช่จีเอ็มโอได้เนื่องจาก DNA นิวเคลียร์ของพวกมันไม่มีเครื่องจักรทางพันธุวิศวกรรมของ ptpTALECD

คำจำกัดความทางกฎหมายแตกต่างกันไป

 แต่ในวงกว้าง ประเทศต่างๆ ประเมินผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายหรือกระบวนการเมื่อตัดสินใจติดฉลากสิ่งมีชีวิตเป็น GMO ตามคำจำกัดความของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ใช้ในประเทศญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกา พืชที่ผลิตด้วยเทคนิคนี้ไม่ใช่ GMOs อย่างไรก็ตาม พืชชนิดเดียวกันนี้เป็นพืชดัดแปลงพันธุกรรมภายใต้ข้อกำหนดตามกระบวนการที่ใช้ในสหภาพยุโรป

จนถึงตอนนี้ ทีมงานของ Arimura ได้พิสูจน์แล้วว่าระบบของพวกเขาทำงานโดยการแก้ไขยีนคลอโรพลาสต์ 3 ยีนและสังเกตผลกระทบที่คาดหวังในต้นอ่อน

“ DNA Chloroplast เข้ารหัสน้อยกว่า 1% ของสารพันธุกรรมทั้งหมดในพืช แต่มีผลสำคัญมากต่อการสังเคราะห์ด้วยแสงและดังนั้นสุขภาพของพืช หวังว่าวิธีนี้จะเป็นประโยชน์ในการวิจัยพื้นฐานและการเกษตรประยุกต์” อาริมูระกล่าว

นักวิจัยมองโลกในแง่ดีว่าข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีเครื่องมือ

ทางพันธุวิศวกรรมใดที่สืบทอดมาจากคนรุ่นต่อๆ ไป และวิธีการที่ทำให้การกลายพันธุ์แบบจุดเท่านั้นจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าวิธีการนี้จะถูกนำมาใช้ในการเพาะพันธุ์พืชที่ดีขึ้นซึ่งเป็นที่ยอมรับของเกษตรกรและผู้บริโภค

ที่มา: มหาวิทยาลัยโตเกียว เซ็กซี่บาคาร่า