이식성 식물

이식성 식물은 유전자가 활성화되지 않거나 변형되거나 새로운 이물질 유전자를 핵 DNA 대신 엽록체 같은 플라스티드의 DNA에 삽입하는 유전자 변형 식물이다.

현재 이식성 식물의 대다수는 다른 플라스티드의 발현 불량으로 인한 엽록체 조작의 결과물이다.^[1]그러나 이 기술은 토마토의 크로모플라스트에 성공적으로 적용되었다.^[2]

식물의 엽록체들은 진카리오테에 의해 광합성 박테리아(시아노박테리아 조상)를 집어삼키는 사건에서 비롯되었다고 생각된다.^[3]박테리아의 기원이기 때문에 엽록체 DNA 조작에는 많은 이점이 있다.예를 들어 여러 단계가 아닌 여러 유전자를 한 번에 도입할 수 있는 능력, 박테리아 유전자 발현 시스템과 함께 많은 유전자를 동시에 발현하는 능력 등이 그 예다.^[4]다른 장점으로는 단백질과 같은 유기농 제품을 고농도로 얻을 수 있는 능력과 이러한 제품의 생산이 후생적 규제의 영향을 받지 않는다는 점 등이 있다.^[5]

고농도에서 제품 합성을 하는 이유는 하나의 식물세포가 잠재적으로 최대 100개의 엽록체를 운반할 수 있기 때문이다.이 플라스티드가 모두 변형되면 모두 유입된 외래 유전자를 표현할 수 있다.^[1]이는 핵이 전형적으로 유전자의 한두 부만 포함하고 있기 때문에 핵의 변환에 비해 유리할 수 있다.^[1]

엽록체 DNA 조작에 의해 제공되는 이점은 특히 농업과 제약 분야에 대한 이 연구 개발 분야에 대한 관심이 증가하고 있다.^[5]그러나 엽록체 DNA 조작에는 앞서 언급한 바와 같이 곡물작물 DNA 물질을 조작할 수 없고 비녹색 플라스티드에 외래 DNA가 잘 표현되지 않는 등 일부 한계가 있다.^[5]또한 플라스티드의 글리코실레이션과 같은 변환 후 수정 능력이 부족하면 일부 인간 관련 단백질 발현이 어려워질 수 있다.^[6]그럼에도 불구하고, 예를 들어 파타누스를 위한 식용 백신의 생산과 같은 식물 이온화학의 많은 발전이 있었다.^[7]

변환 및 선택 절차

유전자 구성

이식성 식물 생성을 위한 첫 번째 요건은 대장균 플라스미드 벡터 형태의 엽록체처럼 플라스티드에 도입할 수 있는 적절한 유전자 구조를 갖추는 것이다.^[8](1) 선택 가능한 마커(2) 플랭킹 시퀀스(3) 관심 유전자(4) 프로모터 시퀀스(5) 5' UTR(6) 3' UTR(7) 인터시스트로닉 요소를 포함하되 이에 국한되지 않는 적절한 유전자 카세트의 몇 가지 주요 특징이 있다.^[9]선택 가능한 마커는 일반적으로 항생제 내성 유전자인 경향이 있는데, 이것은 식물 세포가 한천판을 포함한 항생제 위에서 자라는 것을 견딜 수 있는 능력을 준다.^[5]플랭킹 시퀀스는 동질 재조합을 통해 플라스티드 게놈의 사전 결정된 정확한 지점에서 유전자 구조를 도입하는 데 중요하다.^[4]도입되는 관심 유전자는 다양한 용도가 있으며 해충 저항 유전자에서 백신 항원 생산에 이르기까지 다양하다.^[4]피연산자의 형태로 복수의 유전자가 유입될 경우 높은 수준의 유전자 발현을 촉진하기 위해서는 인터시스트론적 요소(IEE)가 중요하다.^[4]마지막으로, 5' UTR과 3' UTR은 각각 리보솜 결합을 강화하고 대본 안정성을 높인다.^[4]

변환 및 선택

플라스티드 변환의 가장 일반적인 방법은 생물학이다: 작은 금이나 텅스텐 입자는 플라스미드 벡터로 코팅되어 젊은 식물 세포나 식물 배아에 쏘아져 여러 개의 세포층을 뚫고 플라스티드에 들어간다.^[8]그런 다음 숏 플라스미드 벡터와 플라스티드의 게놈 사이에 동음이의 재조합 현상이 일어나게 될 것이며, 바라건대 유전자 카세트를 플라스티드에 안정적으로 삽입하게 될 것이다.^[8]식물 유전공학에서도 흔히 볼 수 있는 농균 매개 변환보다 변환 효율이 낮은 반면 입자 폭격은 특히 엽록체 변환에 적합하다.다른 변환 메서드 기뇌 촬영법 앞에서 변환을 위해 해외 유전자 자료로"무담보의"식물 세포를 노출하기 위해 식물 세포 벽의 제거를 포함한 폴리 에틸렌 글리콜(기뇌 촬영법)- 매개된 변환의 사용 방법이 있다.[8]PEG- 하지만, 악명 높은 시간, 매우technica를 소비합니다 변화를 이뤄 냈다.그리고 그것은 식물 세포의 주요 보호 구조 요소인 세포 벽의 제거를 요구하기 때문에 노동 집약적이다.^[10]흥미롭게도, 2018년에 발표된 논문은 미세조류종인 N. 오세아니아와 C. reinhardtii에서 엽록체들의 성공적인 플라스티드 변형을 전기적 원형을 통해 묘사했다.^[10]전기로포를 이용한 고등 식물의 플라스티드 변환에 대한 연구는 아직 시도되지 않았지만, 이것은 미래에 흥미로운 연구 영역이 될 수 있다.

세포 내에서 지속되고 안정적으로 유지되기 위해서는 플라스미드 DNA 분자가 복제의 기원을 포함해야 하며, 이를 통해 염색체와는 독립적으로 세포 내에서 복제될 수 있다.외래 DNA가 식물 조직에 처음 도입되면 모든 엽록체들이 성공적으로 도입된 유전 물질을 통합하지는 못할 것이다.^[5]식물 세포 안에는 정상과 변형된 엽록체 혼합물이 있을 것이다.정상과 변환된 엽록체들의 혼합은 "히테로플라스틱" 엽록체 집단으로 정의된다.^[5]도입된 유전자의 안정적인 유전자 발현을 위해서는 식물 세포에 있는 변형된 엽록체의 "동형체" 집단을 필요로 하는데, 식물 세포에 있는 모든 엽록체들이 이질적인 유전 물질을 성공적으로 통합한 것이다.^[5]일반적으로 항생제에 대한 여러 번의 선택을 통해 동종질성을 달성하고 식별할 수 있다.^[5]이곳은 분광기 같은 항생제가 들어 있는 한판 위에서 변형된 식물 조직이 반복적으로 자라는 곳이다.^[5]위와 같이 유전자 카세트를 성공적으로 통합한 식물 세포만이 항생제 내성 선택 가능한 표식을 표현할 수 있으므로 항생제가 들어 있는 한판 위에서 정상적으로 자랄 수 있을 것이다.^[5]에 식물 세포의 plastids에 스펙티 노마이신 항생제 억제는 리보솜으로 엽록체의heteroplasmic 인구는 여전히 한천 접시에 효과적으로 성장할 수 있는 것이 정상적으로 성장하지 않는 식물의 조직, 그러나 chloroplast[5]의 유지를 방지한 표백한 외모 가질 항생제 sel의 많은 라운드.경제학균질하고 안정적인 식물 조직을 배양하기 위해서는 션과 역류가 필요하다.^[5]동종 식물 조직의 생성은 이생체학의 주요 난이도와 믿을 수 없을 정도로 많은 시간을 소비하는 것으로 간주된다.^[8]

접목

니코티아나 타바쿰과 같은 일부 식물 종은 니코티아나 글라우카, 니코티아나 벤다미아나와 같은 같은 속종의 구성원들에 비해 이생체학에 더 수용적이다.^[11]2012년에 수행된 실험은 접붙이를 이용하여 어려운 식물 종에 대한 이식을 촉진할 가능성을 강조하였다.접목은 서로 다른 두 식물이 서로 결합해 계속 성장하면 발생하는데, 이 기법은 농업 용도에 널리 이용되어 야생에서도 자연적으로 발생할 수 있다.^[12]이식성 N. 타바쿰 식물은 분광기 저항성과 GFP 형광성을 갖도록 설계되었다.^[11]원자력 발전소의 N. benthamiaana와 N. glaoca는 카나마이신 항생제 내성과 YFP 형광성을 갖도록 설계되었다.^[11]이식성 발전소와 핵 유전자 변형 발전소는 서로 접붙이고 접붙인 조직을 분석하였다.^[11]카나미신과 스펙터노마이신이 모두 있는 한판 위의 형광 현미경과 항생제 선택으로 이식된 식물 조직은 이산화물과 핵 트랜스젠 DNA 물질을 모두 가지고 있었다.^[11]이는 PCR 분석을 통해 추가로 확인됐다.^[11]이 연구는 엽록체와 같은 플라스티드가 이식 접합부를 가로질러 세포 사이를 통과할 수 있고 두 개의 서로 다른 식물 세포 선 사이에 유전 물질이 전달된다는 것을 강조했다.^[11]이 발견은 위에서 본 바와 같이 현재의 실험 방법론을 사용하여 쉽게 변형되지 않는 종을 위한 이식성 식물의 생성을 위한 대체 경로를 제공한다는 점에서 중요하다.^[11]

트랜스젠 식 최적화

이론적 표현 체계와 펜타트리코펩타이드 반복 단백질과 같은 유도성 표현 체계는 이식성 식물에서 트랜스젠 생산물의 발현을 조절하고 조절하기 위한 노력으로 널리 연구되어 왔다.^[13]유도성 표현 시스템을 사용할 때 큰 장점 중 하나는 트랜스젠 단백질 생산의 농도를 최적화하는 것이다.^[13]예를 들어, 어린 식물은 성장과 발달에 에너지와 자원을 쏟아야 성숙한 식물이 된다.^[13]따라서 트랜스젠의 구성적 표현은 외국의 유전자 구조를 대신 표현하기 위해 귀중한 에너지와 자원을 빼앗아 가기 때문에 식물 성장과 발전에 해로울 것이다.^[13]이것은 제품 수율이 낮은 저개발이식성 식물을 야기할 것이다.^[13]트랜스젠의 설득력 있는 표현은 이러한 한계를 극복하고 화학적으로 트랜스젠의 생산을 시작하도록 유도하기 전에 일반 야생형 식물처럼 완전히 성숙하게 할 것이다.^[13]

생물학적 봉쇄와 농업 공존

유전자변형식물은 환경에 안전하고 재래식 작물 및 유기농 작물과의 공존에 적합해야 한다.전통적인 핵 유전자 변형 작물의 주요 장애물은 꽃가루 이동을 통한 트랜젠의 교차 가능성에 의해 제기된다.처음에는 꽃가루가 트랜스젠을 함유하지 않는 이앙성 식물을 생산하는 플라스티드 변환은 생물학적 안전성을 높일 뿐만 아니라 유전자 변형, 재래식, 유기농 농업의 공존을 촉진한다고 생각되었다.따라서 이러한 작물을 개발하는 것이 Co-Extra와 Transcontainer와 같은 연구 프로젝트의 주요 목표였다.

그러나 2007년 담배공장에 대한 연구는 이 이론을 반증했다.독일 막스 플랑크 분자식물 생리학 연구소의 랄프 보크가 이끄는 연구원들은 유전자 변형 담배를 연구했는데, 이 담배는 트랜스젠이 엽록체에 통합되어 있었다.^[14]엽록체 매개 변형을 통해 생성된 이앙성 담배 공장에는 수컷이 살균되어 있고, 손대지 않은 엽록체를 가진 식물들이 번식되었다.^[14]이이식성 식물은 항생제 분광에 내성을 갖도록 설계되었고 녹색 형광 단백질 분자(GFP)를 생산하도록 설계되었다.^[14]따라서, 엽록체 속의 유전 물질은 꽃가루를 통해 전이될 수 없기 때문에, 이 두 줄의 담배 식물에서 생산되는 어떤 자손도 분광기(spectinomycin)에서 자랄 수 없거나 형광기가 되어서는 안 된다는 가설을 세웠다.^[14]그러나 일부 씨앗은 항생제에 내성이 있어 스펙티노마이신 아가르 판에서 발아할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.^[14]계산 결과 백만 개당 1개의 꽃가루 알갱이가 플라스티드 유전 물질을 함유하고 있는 것으로 나타났는데, 이는 농경지 환경에서 상당한 의미가 있을 것이다.^[14]담배는 자가 숙성 성향이 강하기 때문에 이앙식물의 신뢰도는 현장 조건에서 더욱 높을 것으로 추정된다.따라서, 연구원들은 1억 개의 GM 담배 공장 중 1개만이 실제로 꽃가루를 통해 트랜스젠을 전달할 것이라고 믿는다.그러한 가치관은 공존을 보장하기에 만족 그 이상이다.단, 제약 생산에 사용되는 GM 작물 또는 절대적으로 초과 교차가 허용되지 않는 다른 경우에서 연구자들은 엽록체 변환을 세포질 남성 불임성 또는 트랜스젠 완화 전략과 같은 다른 생물학적 억제 방법과 결합할 것을 권고한다.이 연구는 이앙식물이 절대 유전자 격납을 가지고 있지 않지만, 격납의 수준은 극도로 높으며, 재래식 농작물과 유전자 변형 농작물이 공존할 수 있다는 것을 보여주었다.^[14]

항생제 내성 유전자가 박테리아와 잡초 등 원치 않는 대상으로 전이될 수 있다는 우려의 목소리가 높다.^[15]그 결과 선택 가능한 항생제 내성 유전자 마커를 제거하는 기술이 개발됐다.그러한 기술 중 하나가 Cre/lox 시스템인데, 변환 과정에서 균질성이 달성되면 항생제 내성 유전자를 제거하기 위해 핵 인코딩된 Cre rebinase를 유도성 촉진자의 통제 하에 둘 수 있다.^[16]

예와 미래

농경 응용분야에서 이식이체학의 최근 예는 콜로라도 감자풍뎅이에 대한 감자 식물 보호를 제공하는 것이었다.^[17]이 딱정벌레는 많은 살충제에 대한 저항력을 얻었고 매우 탐욕스러운 먹이감이어서 국제적으로 "슈퍼 페스트"로 불린다.^[17]이 딱정벌레는 미시간주에서만 연간 최대 140만 달러의 농작물 피해를 입힐 것으로 추정된다.^[18]장이 2015년 실시한 연구에서는 이중 좌초된 RNA 생성 유전자를 플라스티드 게놈에 도입하기 위해 이산화질소학을 활용했다.^[17]이중 좌초된 RNA는 RNA 간섭 방법론을 통해 유전자이전 감자공장에 보호를 맡긴다. RNA 간섭 방법론을 통해 감자벌레가 식물 조직을 섭취하면 딱정벌레가 생존을 위해 필요로 하는 핵심 유전자가 침묵하게 된다.^[17]보호 수준이 높았는데, 이앙 감자 식물의 잎은 어른 딱정벌레와 유충에 노출되면 대부분 녹지 않았다.^[17]조사 결과 이식성 식물의 잎을 섭취한 유충에 대해서도 83%의 살충효과가 있는 것으로 나타났다.^[17]본 연구는 해충이 전통적인 화학 살충제에 대한 내성을 갖게 되면서, RNAI 매개 농작물 보호 전략을 전달하기 위한 이산화물의 사용이 향후 점점 더 활성화될 수 있다는 것을 강조한다.^[17]

또 다른 주목할 만한 이산화물 기반 접근법은 아르테미시닌 생산에 사용될 수 있는 전구 분자인 이산화 담배 식물을 통해 아르테미신산을 생산하는 것이다.^[19]아르테미신 기반 복합치료는 세계보건기구(WHO)가 말라리아에 대해 선호하고 추천하는 치료법이다.^[19]아르테미시닌은 자연적으로 아르테미시아 안누아 식물에서 유래하지만, 공장 내 저농도의 아르테미시닌만 자연적으로 수확할 수 있고, 현재 전 세계 수요에 공급할 수 있는 물량이 부족하다.^[19]푸엔테스가 주도한 2016년에 실시한 연구에서는 새로운 합성생물학 도구인 코스트렐(이식수취자 라인의 결합초기변형)을 사용하여 이식이식 N. 타바쿰 식물을 생성하기 전에 생물학적 접근법을 통해 아르테미신산 생산 경로를 N. 타바쿰의 엽록체에 도입할 수 있었다.매우 높은 아르테미니신산 ^[20]산출량본 연구는 향후 바이오의약품 응용을 위한 이산화이온학의 잠재적 편익을 설명한다.

현재 비녹색 플라스티오믹스에 대해서는 이산화이온학이 불가능함에도 불구하고 엽록체 게놈에 대해 행해진 식물 이산화이온학 연구는 매우 가치 있는 것으로 판명되었다.^[4]엽록체 변형 신청서는 농업, 바이오 연료 및 바이오 의약품 등을 포함하며 이에 국한되지 않는다.^[4]이는 피연산자 형태의 다중 트랜스젠 표현 용이성과 높은 복사 번호 표현 등이 포함된 몇 가지 요인 때문이다.^[4]이생체학 연구는 아직 진행 중인 연구로 남아 있다.비녹색 플라스티드의 이질체학, 이질체학을 통한 곡물작물 변형이 불가능하고 엽록체 내 글리코실화 능력 부족을 우회하는 방법 등 다른 영역을 개선하기 위한 더 많은 연구 개발이 여전히 필요하다.^[4]이 연구 분야의 추가적인 개선은 일상 생활에서 중요한 많은 응용 분야에서 우리에게 잠재적인 강력한 생명공학 경로를 제공할 뿐이다.

참조

외부 링크

• 유전자변형식물의 공존과 추적가능성에 관한 연구
• 유전자변형식물을 위한 생물학적 격납시스템 개발