Chinees systeem SmartPE verbetert precieze gen-aanpassingen in tomaat en soja

Wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een nieuwe methode ontwikkeld om genetische aanpassingen in planten veel nauwkeuriger en efficiënter door te voeren. Het team, onder leiding van professor Gao Caixia van het Institute of Genetics and Developmental Biology, publiceerde de resultaten op 28 oktober in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Plants. De techniek, SmartPE genoemd, richt zich specifiek op zogeheten dicotyle gewassen: planten met twee zaadlobben, waaronder tomaat, soja en raapzaad.

De onderliggende techniek heet prime editing en wordt gezien als een verfijnde opvolger van de bekende CRISPR-methode. Waar klassieke CRISPR het DNA op een bepaalde plek doorknipt, kan prime editing letters in het DNA vervangen of kleine stukjes toevoegen of verwijderen zonder de DNA-streng helemaal door te snijden. Dat maakt de methode veiliger en nauwkeuriger, met minder ongewenste nevenschade. Het probleem was echter dat prime editing in veel plantensoorten maar matig werkte, met grote verschillen tussen de ene en de andere plek in het DNA.

Twee trucs tegelijk

De onderzoekers losten dit op met een combinatie van ingrepen. Eerst voegden ze een regelend DNA-stukje toe, het zogeheten START-element, waardoor het gen-bewerkingseiwit Cas9 harder aan het werk ging. Dat leverde op zichzelf al bijna een verdubbeling van de bewerkingsefficiëntie op bij proeven met de modelplant Arabidopsis.

Vervolgens ontdekten de onderzoekers dat het combineren van twee gids-RNA's, de moleculen die de bewerking naar de juiste DNA-plek leiden, pas echt effect had wanneer ze bewust kleine 'foutjes' inbouwden in de sjablonen van die gidsmolecuulen. Deze mismatches voorkomen dat het eigen reparatiesysteem van de cel de aanpassing meteen weer ongedaan maakt. Door deze truc steeg de bewerkingsefficiëntie meer dan zes keer, tot ongeveer 10 procent. Bij een optimale plaatsing van de mismatches, vlak naast elkaar of met kleine tussenruimtes, haalden de onderzoekers zelfs 20 procent.

Resultaten bij echte landbouwgewassen

Om te testen of SmartPE ook buiten het laboratoriummodel werkt, zette het team de methode in op cellen van tomaat, soja en raapzaad. Bij tomaat haalde zes van de negen onderzochte DNA-plekken een efficiëntie van meer dan 10 procent. Bij soja lukte dat bij negen van de elf plekken, met minstens 5 procent. Bij raapzaad kwamen vijf doelen uit op ongeveer 10 procent of hoger. Met de klassieke methode bleven veel van deze plekken juist vrijwel onveranderd.

In stabiel genetisch veranderde tomatenplanten zorgde SmartPE voor aanpassingen die daadwerkelijk doorgegeven konden worden aan nieuwe cellen, iets wat met de oudere methode veel minder goed lukte. Bij soja ontstonden tot nu toe alleen planten met een mix van aangepaste en onaangepaste cellen, waarmee nog niet alle problemen zijn opgelost. Toch zien de onderzoekers de resultaten als een belangrijke stap: met de nieuwe inzichten over mismatches kunnen kwekers en wetenschappers gerichter werken aan gewassen met gewenste eigenschappen, zoals betere ziekteresistentie of hogere voedingswaarde.