加州大学伯克利分校 与碳纳米管结合的基因(红色和白色)可以很容易地扩散到植物细胞中，在那里表达，就好像它是细胞自己的基因一样
在这种情况下，插入绿色荧光蛋白的基因会使叶子发出绿光
纳米管直径为1纳米，长数百纳米
信用:加州大学伯克利分校图形由埃拉马鲁什琴科 在植物中插入或调整基因与其说是科学，不如说是艺术，但加州大学伯克利分校开发的一项新技术，科学家可以使任何类型的植物的基因工程——特别是用CRISPR-Cas9进行基因编辑——简单快捷
为了传递基因，研究人员将它移植到碳纳米管上，碳纳米管小到可以很容易地穿过植物坚硬的细胞壁
迄今为止，大多数植物基因工程都是通过将基因发射到组织中——这一过程被称为生物弹——或通过细菌传递基因来完成的
两者都只在很小一部分时间内取得成功，这是科学家寻求创造抗病或抗旱作物或改造植物使其更容易转化为生物燃料的主要限制
然而，纳米管非常成功地将基因传递到细胞核和叶绿体中，而叶绿体是细胞中的一种结构，用目前的方法更难靶向
叶绿体有自己独立的基因组，虽然很小，但它们吸收光并储存能量以备将来使用，在这个过程中释放氧气
一种简单的基因传递技术对科学家来说将是一个福音，他们现在正试图提高光能捕获的效率来提高作物产量
纳米管不仅保护脱氧核糖核酸不被细胞降解，还防止它被插入植物基因组
因此，该技术允许基因修改或删除，而在美国和欧盟以外的国家不会触发“转基因”或转基因生物的命名
加州大学伯克利分校化学和生物分子工程助理教授马奇塔·兰德里说:“这种技术的优点之一就是节省了时间。”
“但我认为主要的进步将是能够快速有效地将基因跨物种传递给植物，并且能够在不将外源基因整合到植物基因组中的情况下产生转基因植物
" 一个关键的用途是CRISPR-Cas9基因编辑:将Cas9的基因，即靶向和切割DNA的酶，与编码导向RNA(Cas9的地址标签)的DNA一起，以高精度编辑特定的基因。
与纳米管结合的脱氧核糖核酸非常坚硬
兰德里说:“我们评估了建筑的稳定性和成本，在这两个方面，这都符合车库科学。”
“你可以把这些东西放在信封里，然后邮寄到任何地方
你不需要冰箱、基因枪、细菌；你不需要和他们一起工作，他们几个月都很稳定
我们可以大规模生产它们，冷冻它们，解冻它们——它们是健壮的小东西
" 兰德里和她的同事将于2月26日在线报告他们的结果
在《自然纳米技术》杂志上提前25天发表
CRISPR交付 兰德里发现，在试图用纳米管传感器标记细胞时，纳米管很容易滑过植物细胞壁，而植物细胞壁以其坚韧的层而闻名
传感器最终在细胞内部，而不是细胞表面
她立即看到了如何将这个翻转过来，将基因传递给植物
目前的方法很麻烦，而且产量很低
使用基因枪是破坏性的；这就像在植物细胞上打一个洞，希望你的基因和细胞都能存活
并非所有的植物都能被携带基因的土壤杆菌感染，而另一种利用致病病毒携带基因的技术适用于更窄范围的植物，并且有将病毒DNA插入植物基因组的风险
所有的一切都必须为每一种植物定制，并且传递的DNA被整合到基因组中:转基因的定义
兰德里和她的同事急于尝试一下，将绿色荧光蛋白的基因包裹在纳米管周围，并将其注射到从当地全食超市购买的有机芝麻菜叶子中
一天之内，植物细胞在紫外光下发出绿光，表明绿色荧光蛋白基因已经被转录并翻译成蛋白质，就好像它是植物自己的基因一样
然而，这种效果只持续了几天，可能是因为蛋白质被回收，而脱氧核糖核酸慢慢降解
然而，寿命短并不是缺点
“平台的独特之处在于它的表达是短暂的
当我们在显微镜下观察7到10天后，表情消失了，荧光消失了
农杆菌不是这样，”兰德里说
对于研究植物如何工作的科学家来说，短时间表达一个基因可以告诉他们很多关于基因在细胞中的作用
“然而，为了成为一个广泛有用的平台，我们需要表达一种蛋白质，这种蛋白质本身对核基因组有永久的影响，”她补充道
她的计划是将脱氧核糖核酸包装成单链质粒，然后附着在碳纳米管上
在扩散到细胞后的两三天内，Cas9蛋白和CRISPR导向RNA都将被表达，使它们能够连接起来形成一个核糖核蛋白复合体，永久编辑基因组。
她没有发现纳米管有任何毒性作用
“所以，现在你有了一种经过编辑的植物，但它在欧洲以外被认为是非转基因的，”她说
给纳米管充电 她和她的同事在其他植物中测试了纳米管的传递:烟草，植物遗传学的主力；棉花，其基因组是出了名的难以破解；和小麦
这些植物的基因工程版本已经上市，但是一种简化的技术可以加速新的有益基因的引入
例如，烟草已经被改造成生产药物，如抗癌药物
她说，虽然兰德里和她的同事们还没有完全理解纳米管传输是如何工作的，但纳米管的容易进入并不完全令人惊讶
如果植物的细胞壁小于5到20纳米，就很容易让东西溜进去，这比哺乳动物细胞500纳米的极限要小得多
纳米管的直径约为1纳米，尽管它们大约有300纳米长:足够附着几十个基因
植物细胞的直径约为10，000纳米
她和她的实验室同事尝试了各种技术将脱氧核糖核酸附着在纳米管上，发现最紧密的结合效果最好
当研究人员在引入脱氧核糖核酸之前给纳米管带正电荷时，它像纸一样粘在带静电的梳子上
她现在正在用脱氧核糖核酸折纸纳米粒子进行实验，以更好地理解纳米管和脱氧核糖核酸进入植物细胞后发生的事情，并正在用纳米管将其他类型的分子，特别是核糖核酸和蛋白质输送到植物中进行实验
“这些碳纳米管的神奇之处在于，它们能够穿过细胞壁，进入细胞核或叶绿体
植物和微生物生物学教授、创新基因组学研究所农业科学主任布莱恩·斯塔斯卡维茨(Brian Staskawicz)说:“这是一个新的进步，让我们能够真正将基因组编辑工具到位。”创新基因组学研究所正在资助兰德里和她的团队进一步研究CRISPR的交付
“接下来的步骤是，我们能不能传递核糖核酸蛋白质，或者我们能不能传递真正编码CRISPR-Cas9的基因或脱氧核糖核酸？”
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