Ένα φλιτζάνι τσάι το 2006 άλλαξε τη γενετική μηχανική για πάντα.
Η Τζιλ Μπάνφιλντ, επιστήμονας οικοσυστήματος από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και συνεργάτης του Ιδρύματος MacArthur του 1999, είχε αρχίσει να περιεργάζεται το 2006 μυστηριώδεις επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA που ήταν κοινές σε μικρόβια που ζουν σε μερικά από τα πιο ακραία περιβάλλοντα του πλανήτη, όπως αεραγωγούς θερμότητας βαθιάς θάλασσας. , ορυχεία οξέος και θερμοπίδακες. Χρειαζόταν απλώς έναν βιοχημικό για να εξηγήσει ποιες ήταν οι αλληλουχίες που ήταν γνωστές ως Crispr/Cas9, και ιδανικά κάποιος τοπικός.
Το καλύτερο εργαλείο εντοπισμού επιστημόνων που είναι διαθέσιμο στον εξαιρετικά διακοσμημένο διδακτορικό ερευνητή—μια αναζήτηση στον ιστό—σύστησε έναν ειδικό στο RNA του Μπέρκλεϊ με το όνομα Τζένιφερ Ντούντνα. Οι δυο τους συναντήθηκαν για τσάι σε ένα μεσημεριανό μέρος στην πανεπιστημιούπολη. Η Ντούντα δεν το είχε ακούσει Crispr, ένα είδος μικροβιακού ανοσοποιητικού συστήματος, και κίνησε το ενδιαφέρον. Τόσο πολύ που τα επόμενα χρόνια θα συνέχιζε να λύνει τη δομή της ακολουθίας, η οποία αποδείχθηκε ότι ήταν κάτι σαν θαυματουργό εργαλείο κοπής και επικόλλησης για DNA. Η ανακάλυψη προανήγγειλε μια νέα εποχή γονιδιωματικής που φέρνει επανάσταση στην επιστήμη και σε πολλές βιομηχανίες και κέρδισε στην Doudna το μισό Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2020.
[time-brightcove not-tgx=”true”]
Τώρα, 15 χρόνια μετά την αρχική τους συνάντηση, οι Banfield, Doudna και μια μεγάλη ομάδα συν-συγγραφέων δημοσίευσαν ένα χαρτί Αυτό κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση του ακανθώδους προβλήματος του τρόπου μελέτης και αλλαγής γονιδιωμάτων μικροβίων που ζουν σε πολύπλοκα περιβάλλοντα του πραγματικού κόσμου, όπως το μικροβίωμα του εντέρου ή το έδαφος. Η πολυπλοκότητα των μικροβιακών κοινοτήτων ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο στην ανακάλυψη τεχνολογιών που μπορούν να αποτρέψουν ασθένειες και να βελτιώσουν τη γεωργία. Είναι ένα κρίσιμο βήμα προς τον περιορισμό του μεθανίου, ενός επιβλαβούς αερίου του θερμοκηπίου που εκπέμπεται κατά την παραγωγή ρυζιού.
Η εργασία είναι μέρος του Innovative Genomics Institute, μιας κοινοπραξίας που ίδρυσε η Doudna για να αναπτύξει χρήσεις για το Crispr και άλλα τεχνικές γενετικής μηχανικής για την επίλυση προβλημάτων στην υγεία, παραγωγή τροφίμων και αλλού. Το IGI τον Ιούλιο έλαβε ένα δώρο 3 εκατομμυρίων δολαρίων από έναν ανώνυμο δωρητή για να συνεχίσει την εργασία για το κλίμα και η έρευνα του Banfield για τα μικροβιακά οικοσυστήματα είναι θεμελιώδης για αυτήν την ώθηση.
Διαβάστε περισσότερα: Πώς η γονιδιακή επεξεργασία θα μπορούσε να σώσει τους κοραλλιογενείς υφάλους
Το έδαφος είναι «το πιο δύσκολο οικοσύστημα στον πλανήτη για μελέτη», είπε ο Banfield. «Είναι το πιο περίπλοκο. Πραγματικά ήταν το Άγιο Δισκοπότηρο για να μπορέσω να αποκτήσω οποιεσδήποτε γνώσεις για τις μικροβιακές κοινότητες του εδάφους».
Μεγάλο μέρος της εργασίας του IGI για το κλίμα επικεντρώνεται στην επιστήμη του ρυζιού, μια σημαντική πηγή θερμίδων για περισσότερο από τον μισό κόσμο. Πέρα από το πρωταρχικό πρόβλημα να διασφαλιστεί ότι οι άνθρωποι έχουν αρκετό, το ρύζι αποτελεί επίσης μια σημαντική κλιματική πρόκληση. Η καλλιέργεια καλλιεργείται σε πλημμυρισμένα χωράφια. Αυτό το νερό αποκόπτει το οξυγόνο στο έδαφος, το οποίο επιτρέπει στα μικρόβια που παράγουν μεθάνιο να ευδοκιμήσουν: Η παραγωγή ρυζιού είναι υπεύθυνη για έως και 34 εκατομμύρια τόνους μεθανίου ετησίως, ή περίπου το 2% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Η Κίνα και η Ινδία αποτελούν το ήμισυ αυτού του συνόλου.
Οι ορυζώνες είναι σαν καπνοδόχοι για το μεθάνιο του εδάφους και για να σταματήσουν αυτές οι εκπομπές, οι επιστήμονες πρέπει πρώτα να κατανοήσουν τα μικρόβια. Το πρόβλημα ήταν ότι η καλλιέργεια μικροβιακών κοινοτήτων και η επεξεργασία τους σε ένα εργαστήριο με παραδοσιακά εργαλεία «θα μπορούσε να πάρει χρόνια ή μπορεί να αποτύχει εντελώς», γράφουν οι συγγραφείς του IGI. Το νέο τους έγγραφο δείχνει ότι η χρήση ενός συστήματος που βασίζεται στο Crispr μπορεί να «επιταχύνει αυτή τη διαδικασία σε εβδομάδες».
Η διακοπή της λειτουργίας του στελέχους μεθανίου ρυζιού μπορεί να απαιτήσει οποιαδήποτε από τις πολλές αλλαγές, είτε στα ίδια τα φυτά είτε στο μικροβιακό δίκτυο στο οποίο αναπτύσσονται οι ρίζες. Οι μηχανικές λύσεις μπορεί να κυμαίνονται από την εισαγωγή μικροβίων που μπορούν να τρώνε μεθάνιο σε συνθήκες χωρίς οξυγόνο έως την εξάλειψη συγκεκριμένων οργανισμών από το έδαφος, με τον τρόπο που τα αντιβιοτικά σκοτώνουν τα βακτήρια που προκαλούν ασθένειες.
«Όλα αυτά είναι πολύ γαλάζιοι αυτή τη στιγμή», είπε ο Banfield. «Πρώτον, θέλουμε να καταλάβουμε τα κομμάτια και πώς ταιριάζουν μεταξύ τους».
Ανάγνωση περισσότερο: Σπορά του ωκεανού: Μέσα στην επαναστατική αναζήτηση ενός βραβευμένου με αστέρι Michelin σεφ για συγκομιδή ρυζιού από τη θάλασσα
Η Pamela Ronald είναι καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Davis, η οποία έχει μελετήσει το ρύζι σε όλη της την καριέρα και έγραψε ένα βιβλίο για το μέλλον των τροφίμων. Πριν από περισσότερο από μια δεκαετία, αυτή και ένας συνάδελφός της αναγνώρισαν το γονίδιο που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ρυζιού ανθεκτικό στις πλημμύρες που τώρα καλλιεργείται από περισσότερους από 6 εκατομμύρια αγρότες στην Ινδία και το Μπαγκλαντές.
Υπάρχουν περισσότερα από 130.000 είδη ρυζιού. Σε αυτά τα γονιδιώματα μπορεί να παραβλεφθούν οι εξελικτικές δεξιότητες που οι επιστήμονες θα μπορούσαν να εμβολιάσουν σε γεωργικές ποικιλίες, για αντοχή στη θερμότητα, διατροφή ή πρόληψη ασθενειών. Το εργαστήριο του Ρόναλντ αναζητά αλλαγές που, σε συνδυασμό με τις μικροβιακές κοινότητες του Μπάνφιλντ, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλλιέργειες με χαμηλότερες εκπομπές. Μια ακόμη μεγαλύτερη πρόκληση περιμένει στο πεπτικό σύστημα των βοοειδών και άλλων μηρυκαστικών, που ευθύνονται για περισσότερο από το 5% των παγκόσμιων εκπομπών.
Ο αγροτικός τομέας έχει πολλές επιλογές για να μειώσει τις εκπομπές στο μεταξύ, ενώ οι Banfield, Ronald, Doudna και άλλοι δημιουργούν γενετικά νέες δυνατότητες.
Η καλλιέργεια περισσότερου ρυζιού στην ίδια έκταση οδηγεί σε χαμηλότερες εκπομπές. κάθε αύξηση της απόδοσης κατά 1% μειώνει επίσης τις εκπομπές μεθανίου κατά περίπου 1%. Η σπανιότερη πλημμύρα των ορυζώνων μπορεί να μειώσει τις εκπομπές έως και στο μισό. Οι αγρότες που μπορούν να ελέγχουν ευκίνητα τη ροή του νερού στα χωράφια έχουν διαπιστώσει ότι οι εναλλασσόμενες υγρές και ξηρές περιόδους κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου μπορούν να μειώσουν πολύ περισσότερο τις εκπομπές. (Οι ξηρές περίοδοι μπορούν να προκαλέσουν περισσότερες εκπομπές οξειδίου του αζώτου, δυστυχώς, ένα άλλο ισχυρό αέριο θερμοκηπίου). Άλλες πολλά υποσχόμενες τεχνικές περιλαμβάνουν το όργωμα του άχυρου ρυζιού πίσω στα χωράφια εκτός εποχής και τη σπορά των αγρών με βιοκάρβουνο, ένα είδος ξυλάνθρακα, για την ενθάρρυνση μεγαλύτερης αποθήκευσης άνθρακα στο έδαφος.
Ο Timothy Searchinger, ανώτερος ερευνητής στο Κέντρο Πολιτικής Έρευνας για την Ενέργεια και το Περιβάλλον του Πανεπιστημίου Πρίνστον, χαιρετίζει την πρόοδο προς μια σημαντική ανακάλυψη γενετικής μηχανικής υψηλής φιλοδοξίας και υψηλής ανταμοιβής σε συνδυασμό με αποδεδειγμένες τεχνικές του πραγματικού κόσμου – το θέμα ενός έγγραφο πολιτικής εξέδωσε τον Νοέμβριο.
«Είναι μια εντελώς πρακτική πρόκληση», είπε. «Πώς πραγματικά κάνεις αυτό το πράγμα να συμβεί; Ποια είναι τα κίνητρα για να συμβεί αυτό; Οι πρακτικές προκλήσεις είναι πραγματικές, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν μπορείτε να τις ξεπεράσετε».
Με το Crispr έρχεται η υπόσχεση ότι οι πρακτικές προκλήσεις μπορούν να ξεπεραστούν σε μοριακό επίπεδο. Ίσως και να έχει τελειώσει τσάι.