Artykuły z cyklu „Nauka i sztuka”
Dzięki nowoczesnym technikom badawczym naukowcy mogą dziś nie tylko obserwować i analizować zmiany w organizacji genomu roślinnego, w tym spowodowane działaniem różnych czynników stresowych, lecz również dokonywać jego edycji polegającej na „zaprogramowanym” wycięciu fragmentu materiału genetycznego w celu otrzymania określonej mutacji użytecznej w prowadzonych badaniach. Naukowcy z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego stosują ww. techniki w badaniach modelowego gatunku trawy – kłosownicy dwukłoskowej (Brachypodium distachyon).
Prof. dr hab. Robert Hasterok z Katedry Anatomii i Cytologii Roślin
Fot. Sekcja Prasowa UŚ
Podczas prowadzonych badań naukowcy często opierają się na analizie tak zwanych organizmów modelowych. Aby jakiś gatunek mógł zyskać taki status, powinien charakteryzować się pewnymi unikalnymi cechami biologicznymi oraz musi zostać szeroko zaakceptowany w takiej roli przez środowisko naukowe. Wśród uznanych w biologii gatunków modelowych znalazły się m. in. muszka owocówka, mysz laboratoryjna, nicień Caenorhabditis elegans oraz roślina rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). Modelowym gatunkiem jest również kłosownica dwukłoskowa (Brachypodium distachyon) – niepozorna trawa badana od kilkunastu lat na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska UŚ przez zespół prof. dr. hab. Roberta Hasteroka. Jej zaletą jest m.in. mały, zawierający niewiele sekwencji powtarzalnych genom jądrowy, co znacznie ułatwia prowadzenie różnych badań na poziomie molekularnym. Ponadto kłosownica jest rośliną o krótkim cyklu życiowym, w związku z czym badacze średnio co cztery miesiące otrzymują jej nowe pokolenie do analiz.
Kłosownica dwukłoskowa (Brachypodium distachyon)
uprawiana w szklarniach na WBiOŚ
Fot. Sekcja Prasowa UŚ
Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego badają m. in. chromosomy kłosownicy dwukłoskowej, których liczbę, kształt, rozmiar, ale także szereg innych ciekawych właściwości można ocenić dzięki zaawansowanym technikom cytogenetyki molekularnej. Opisują również wiele procesów zachodzących na poziomie cytomolekularnym. – Jednym z interesujących nas etapów cyklu życiowego komórek kłosownicy jest okres między podziałami komórki, tzw. interfaza, niesłusznie nazywany dawniej okresem spoczynkowym – mówi prof. dr hab. Robert Hasterok. Dokładniejsze badania wykazały, że w tej fazie komórka wykonuje przeróżne ważne procesy związane z realizacją znajdującej się w jej jądrze informacji genetycznej. Biolodzy chcieli zobaczyć m.in. rozmieszczenie chromosomów w przestrzeni jądra komórkowego w tym okresie. Zadanie okazało się jednak trudne do wykonania ze względu na typową dla interfazy dekondensację chromatyny – w wyniku tego procesu pojawia się problem z wyróżnieniem poszczególnych chromosomów. Aby zbadać ich rozmieszczenie w jądrze interfazowym, naukowcy musieli zastosować unikalną w badaniach roślin technikę malowania chromosomów. – Używamy specjalnych barwników fluorescencyjnych, które w dość skomplikowany sposób „nanosimy” na poszczególne pary chromosomów w genomie. Dzięki temu, śledząc przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego jądro komórkowe w okresie międzypodziałowym, możemy obserwować, gdzie się znajdują i jak się zachowują poszczególne chromosomy. Odróżniamy je właśnie dzięki kolorom, co widać na zamieszczonych poniżej zdjęciach mikroskopowych – mówi naukowiec.
Po lewej: jądro interfazowe kłosownicy dwukłoskowej z pomalowanymi chromosomami pary nr 2 (autor: dr Ewa Robaszkiewicz), po prawej: pomalowane chromosomy nr 1 kłosownicy dwukłoskowej parujące w profazie I podziału mejotycznego (autor: dr Dominika Idziak-Helmcke)
Zastosowana metoda może być wykorzystywana do obserwowania wielu procesów w różnych tkankach roślinnych – korzenia czy pędu, związanych przykładowo z różnicowaniem się komórek, a być może nawet ze sposobem reagowania na poziomie komórkowym organizmów poddanych czynnikom stresowym. Rośliny, w przeciwieństwie do zwierząt, inaczej na tego typu zmiany reagują. Nie mogąc się przemieszczać, musiały wykształcić mechanizmy, które pozwalają im przystosować się do niekorzystnych warunków w miejscu ich bytowania, przykładowo stresu suszy, nadmiernego zasolenia gleby czy niewłaściwego naświetlenia. Wiąże się to m.in. z tzw. epigenetycznym poziomem organizacji materiału genetycznego. Badania prowadzone przy użyciu techniki malowania chromosomów w połączeniu z innymi technikami badawczymi być może pozwolą także tego typu zmiany obserwować i lepiej zrozumieć ich znaczenie.
Badania cytomolekularne kłosownicy dwukłoskowej mają również wymiar ewolucyjny. Naukowcy opisują organizację genomów obecnie żyjących gatunków roślin i porównują sekwencje DNA tych genomów. Dzięki temu można badać ich historię rodową – tworzyć pewien rodzaj drzewa genealogicznego. Jak wyjaśnia prof. dr hab. Robert Hasterok, bezpośrednie możliwości badawcze są tu jednak mocno ograniczone, nie ma bowiem dostępu do zakonserwowanych szczątków biologicznych pradawnych roślin, które są nietrwałe i jeśli „przetrwały” do naszych czasów, to na przykład w postaci… węgla kamiennego. – Z niego oczywiście nie wyizolujemy historycznego roślinnego DNA. Możemy jednak, na podstawie sekwencjonowania i porównywania genomów współczesnych gatunków roślin przy wykorzystaniu odpowiednich narzędzi bioinformatycznych, budować drzewa genealogiczne pokazujące historię rozwoju roślin sięgającą dziesiątki milionów lat wstecz – przykładowo aż do pierwszego, mającego ponoć w swym genomie jądrowym pięć chromosomów, praprzodka traw. Na tej podstawie rekonstruujemy ścieżkę ewolucji, która doprowadziła do powstania tak ważnych gospodarczo współczesnych gatunków traw, jakimi są zboża: pszenica, ryż, kukurydza, jęczmień czy żyto, a także – choć nie w sensie gospodarczym – badane przez nas gatunki Brachypodium – wyjaśnia prof. Robert Hasterok.
Biolodzy z Uniwersytetu Śląskiego stosują obecnie nowe techniki badawcze, umożliwiające także tzw. edycję genomu pozwalającą w „zaprogramowany” sposób usunąć lub wprowadzić do materiału genetycznego w zasadzie dowolną sekwencję DNA. – Wykorzystujemy w tym celu proces, którego „nauczyły” nas bakterie. Dzięki niemu mikroorganizmy te wykrywają zmiany w obrębie własnych komórek wynikające z pojawienia się obcego DNA – wprowadzanego przez pasożytujące na nich wirusy. Obcy DNA, podobnie jak wirus komputerowy, może dokonać przeprogramowania metabolizmu komórkowego w taki sposób, że komórka, zamiast „skupić się” na namnażaniu własnych białek, zaczyna syntetyzować białka umożliwiające namnażanie się wirusa. Bakterie jednak nie poddają się bez walki. Po pierwsze potrafią odkryć próbę przejęcia kontroli przez wirusy, po drugie podejmują obronę na poziomie molekularnym, m.in. za pomocą mechanizmu pozwalającego na rozcięcie, a co za tym idzie, unieszkodliwienie obcego DNA – wyjaśnia prof. Robert Hasterok.
Naukowcy na podstawie znajomości tych procesów opracowali narzędzie do kontrolowanej i selektywnej ingerencji w strukturę materiału genetycznego, na ten moment przede wszystkim w komórkach zwierzęcych, w tym w komórkach człowieka, ale coraz powszechniej także w komórkach roślinnych, zwane CRISPR/Cas, pozwalające m.in. na jego edycję. Na razie służy ono przede wszystkim lepszemu poznaniu funkcji różnych genów i kodowanych przez nie białek, ale niewykluczone, że w przyszłości będzie także wykorzystywane w nowoczesnych terapiach niektórych, trapiących ludzkość chorób. Jak wyjaśnia naukowiec, zanim wykorzystano ten mechanizm, biolodzy dokonywali wyłączania różnych genów w badanych organizmach niejako na oślep, co było zwykle podejściem mało efektywnym i czasochłonnym. Obecnie, dzięki systemowi CRISPR/Cas, naukowcy mogą poprzez wycięcie lub wstawienie określonego fragmentu DNA uzyskać w „zaprogramowany” sposób interesującą ich mutację potrzebną do badań danego organizmu. Wyłączając określone geny, opisują zmiany zachodzące w różnych procesach biologicznych. Przykładowo, mogą wyłączyć gen ważny dla podziału komórkowego, by następnie obserwować, czy proces ten nadal będzie zachodził, a jeśli tak, to w jaki sposób. To także nowa przestrzeń badań nad kłosownicą dwukłoskową realizowanych obecnie przez kolejne pokolenia młodych naukowców w Katedrze Anatomii i Cytologii Roślin na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska UŚ.
Autor: Małgorzata Kłoskowicz
Prof. dr hab. Robert Hasterok jest kierownikiem Katedry Anatomii i Cytologii Roślin na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Jego zainteresowania naukowe dotyczą organizacji cytomolekularnej roślinnego genomu jądrowego ze szczególnym uwzględnieniem modelowych traw z rodzaju Brachypodium. Jest jednym z pionierów i animatorów badań prowadzonych z wykorzystaniem tych gatunków oraz jednym z założycieli Międzynarodowej Inicjatywy Brachypodium. Współautor kilkudziesięciu publikacji w uznanych periodykach naukowych, prelegent na zaproszenie organizatorów licznych konferencji i zjazdów naukowych, kierownik wielu prestiżowych projektów badawczych, zaangażowany dydaktyk.
Fot. Sekcja Prasowa UŚ