Avec les nanotubes, la modification génétique des plantes devient un jeu d’enfant
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Insérer ou modifier des gènes dans des plantes relève plus de l’art que de la science, mais une nouvelle technique mise au point par l’Université de Californie à Berkeley pourrait permettre de concevoir génétiquement tout type de plante, en particulier avec l’édition de gènes via CRISPR-Cas9.
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Pour délivrer un gène, les chercheurs l’ont greffé sur un nanotube de carbone, suffisamment petit pour se glisser facilement à travers la paroi cellulaire d’une plante. À ce jour, la plupart des manipulations génétiques des plantes se font en transmettant des gènes dans les tissus, un processus connu sous le nom de biolistique, ou en transmettant des gènes via des bactéries. Les deux ne réussissent qu’un petit pourcentage du temps, ce qui constitue une limite majeure pour les scientifiques qui souhaitent créer des cultures résistantes aux maladies ou à la sécheresse ou aménager des plantes afin de les convertir plus facilement en biocarburants.
Sommaire
L’utilisation des nanotubes
Mais les nanotubes sont intéressants pour introduire un gène dans le noyau et également dans le chloroplaste, une structure dans la cellule qui est encore plus difficile à cibler avec les méthodes actuelles. Les chloroplastes, qui possèdent leur propre génome distinct, bien que plus petit, absorbent la lumière et stockent son énergie pour une utilisation future, libérant ainsi de l’oxygène. Une technique simple de délivrance de gènes serait une aubaine pour les scientifiques qui tentent actuellement d’améliorer l’efficacité de la capture d’énergie lumineuse afin d’améliorer les rendements des cultures.
Le nanotube empêche non seulement l’ADN d’être dégradé par la cellule, mais l’empêche également d’être inséré dans le génome de la plante. En conséquence, la technique permet des modifications ou des suppressions de gènes qui, aux États-Unis et dans des pays autres que l’Union européenne, ne déclencheraient pas l’appellation “génétiquement modifié” ou “OGM”.
Un gain de temps considérable
L’un des avantages est simplement le temps gagné avec une telle technologie selon Markita Landry, professeure adjointe en génie chimique et biomoléculaire à l’Université de Berkeley. Mais je pense que les avancées majeures vont être la capacité à transmettre rapidement et efficacement des gènes aux plantes d’une espèce à l’autre, de manière à permettre la génération de lignées de plantes transgéniques sans intégration d’ADN étranger dans le génome de la plante.
L’utilisation clé est l’édition de gènes CRISPR-Cas9. La délivrance du gène pour Cas9, l’enzyme qui cible et coupe l’ADN ainsi que le guide de codage de l’ADN RNA, pour éditer des gènes spécifiques avec une grande précision. Et l’ADN lié à un nanotube est très robuste. Nous avons évalué la stabilité des constructions et leur coût et, dans les deux cas, on peut le faire avec des outils basiques selon Landry.
Vous pouvez mettre ces choses dans une enveloppe et les poster un peu partout. Vous n’avez pas besoin d’un réfrigérateur, d’un outil à gènes, ni d’une bactérie. Avec peu d’outils, vous pouvez faire des modifications conséquentes et elles sont stables pendant des mois. Les nanotubes peuvent supporter de nombreux traitements sans aucune dégradation. Landry et ses collègues rendront compte de leurs résultats dans la revue Nature Nanotechnology.
L’utilisation de CRISPR
Landry a découvert que les nanotubes se glissaient facilement à travers les parois cellulaires des plantes, réputées pour leurs couches dures, tout en essayant de marquer les cellules avec des capteurs à nanotubes. Les capteurs se sont retrouvés à l’intérieur de la cellule, pas à la surface de la cellule.
Elle a immédiatement vu comment renverser la situation pour transmettre des gènes aux plantes. Les méthodes actuelles sont lourdes et peuvent être peu productives. L’utilisation d’outils génétiques est destructive; c’est comme faire un trou dans une cellule végétale et espérer que votre gène et la cellule survivent. Toutes les plantes ne peuvent pas être infectées par l’Agrobacterium, qui est un vecteur de gènes.
Une autre technique, utilisant des virus pathogènes pour véhiculer des gènes, fonctionne pour une gamme de plantes encore plus étroite et risque d’insérer de l’ADN viral dans le génome de la plante. Tous doivent être personnalisés pour chaque plante et l’ADN fourni est intégré au génome, ce qui est la définition d’un OGM.
Un gène (rouge et blanc) lié à un nanotube de carbone peut facilement se glisser dans les cellules végétales, où il est exprimé comme s’il s’agissait du gène de la cellule. Dans ce cas, l’insertion du gène de la protéine fluorescente verte fait briller les feuilles en vert. Le nanotube a un diamètre de 1 nanomètre et une longueur de plusieurs centaines de nanomètres – Crédit : UC Berkeley graphic by Ella Marushchenko
Comme une preuve à l’appui de leurs travaux, Landry et ses collègues ont enveloppé le gène de la protéine fluorescente verte (GFP) autour d’un nanotube et l’ont injecté dans une feuille de roquette bio achetée sur dans un magasin Whole Foods. En une journée, les cellules de la plante sont devenues vertes sous les rayons ultraviolets, indiquant que le gène de la GFP avait été transcrit et traduit en protéine, comme s’il s’agissait du gène de la plante. L’effet n’a toutefois duré que quelques jours, probablement parce que les protéines ont été recyclées et que l’ADN se dégrade lentement.
Une courte durée de vie n’est pas un inconvénient
L’aspect unique du processus est que l’expression génique est transitoire. Lorsque nous l’examinons au microscope sept à dix jours plus tard, l’expression a disparu, la fluorescence a disparu. Ce n’est pas le cas avec l’Agrobacterium selon Landry. Pour les scientifiques qui étudient le fonctionnement des plantes, l’expression d’un gène pendant une courte période peut en dire long sur le rôle du gène dans la cellule.
Toutefois, pour que cette plate-forme soit très utile, nous devons exprimer une protéine qui, en soi, a un effet permanent sur le génome nucléaire. Son plan est d’empaqueter l’ADN dans un plasmide simple brin qui est ensuite attaché à un nanotube de carbone. Deux ou trois jours après la diffusion dans la cellule, la protéine Cas9 et l’ARN guide CRISPR seraient tous deux exprimés, ce qui leur permettrait de se lier pour former un complexe ribonucléoprotéine qui modifie le génome de façon permanente. Elle n’a trouvé aucun effet toxique du nanotube.
De ce fait, vous avez une plante qui est modifiée, mais qui serait considérée comme non-OGM en dehors de l’Europe selon la chercheuse.
Des nanotubes chargés
Elle et ses collègues ont testé la livraison de nanotubes dans d’autres plantes: le tabac, bête de somme de la génétique végétale; le coton, dont le génome est notoirement difficile à craquer; et du blé. Des versions génétiquement modifiées de ces plantes sont déjà sur le marché, mais une technique simplifiée pourrait accélérer l’introduction de nouveaux gènes bénéfiques. Le tabac, par exemple, a été conçu pour produire des produits pharmaceutiques tels que des médicaments anticancéreux.
Bien que Landry et ses collègues ne comprennent pas encore parfaitement le fonctionnement de la livraison de nanotubes, la facilité avec laquelle ils entrent dans les nanotubes n’est pas une surprise. Les parois cellulaires des plantes laissent facilement entrer des objets si leur taille est inférieure à 5 à 20 nanomètres, ce qui est bien inférieur à la limite de 500 nanomètres des cellules de mammifères. Les nanotubes ont un diamètre d’environ 1 nanomètre, bien qu’ils aient une longueur d’environ 300 nanomètres, donc suffisamment d’espace pour attacher des dizaines de gènes. Les cellules végétales ont une taille de l’ordre de 10 000 nanomètres.
Elle et ses collègues de laboratoire ont essayé diverses techniques pour attacher de l’ADN à des nanotubes et ont découvert que la liaison la plus étroite fonctionnait mieux. Lorsque les chercheurs ont chargé le nanotube d’une charge positive avant d’introduire l’ADN, celui-ci s’est collé comme du papier à un peigne chargé d’électricité statique.
Elle mène actuellement des expériences avec des nanoparticules d’origami d’ADN afin de mieux comprendre ce qui se passe dans les cellules de la plante après l’entrée du nanotube et de l’ADN. Elle expérimente également la délivrance de nanotubes à des plantes d’autres types de molécules, notamment l’ARN et les protéines.
Ce qui est étonnant avec ces nanotubes de carbone, c’est qu’ils peuvent franchir la paroi cellulaire et pénétrer dans le noyau ou dans les chloroplastes. C’est une nouvelle avancée qui nous permet de mettre en place les outils nécessaires à l’édition du génome selon Brian Staskawicz, professeur de biologie végétale et microbienne et directeur scientifique pour l’agriculture de l’Innovative Genomics Institute, qui finance des travaux supplémentaires sur la mise en œuvre de la CRISPR par Landry et son équipe. La prochaine étape serait la suivante: Pouvons-nous délivrer des protéines ribonucléiques ou pouvons-nous délivrer de l’ARNm ou de l’ADN codant pour CRISPR-Cas9 avec cette méthode ?
