นักวิทยาศาสตร์ดัดแปลงพันธุกรรมพืชเพื่อให้ได้น้ำมันพืชมากขึ้น

แสดงให้เห็นถึงวิธีการที่อยู่ระหว่างการจดสิทธิบัตร โรงงานต้นแบบArabidopsisมีน้ำมันเพิ่มขึ้น 15 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ในเมล็ดของมันเมื่อปลูกด้วยโปรตีนดัดแปรภายใต้สภาวะในห้องปฏิบัติการ การหาวิธีทำให้พืชผลมีน้ำมันในเมล็ดมากขึ้นถือเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์สำหรับอุตสาหกรรมการเกษตร อย่างไรก็ตาม พืชที่ให้น้ำมันส่วนใหญ่ เช่น ปาล์มน้ำมัน ถั่วเหลือง ทานตะวัน เรพซีด ถั่วลิสง มีเปอร์เซ็นต์น้ำมันในผลไม้หรือเมล็ดพืชอยู่แล้ว และเป็นการยากที่จะเพิ่มปริมาณน้ำมันด้วยวิธีการผสมข้ามพันธุ์แบบดั้งเดิม . น้ำมันพืชมักใช้ในการแปรรูปอาหาร เชื้อเพลิงชีวภาพ สบู่ และน้ำหอม และตลาดโลกสำหรับน้ำมันพืชเหล่านี้คาดว่าจะมีมูลค่า 241.4 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2564 และคาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็น 324.1 พันล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2570[1] การเพิ่มผลผลิตน้ำมันจากพืชสามารถช่วยโลกในการแสวงหาความยั่งยืน โดยช่วยลดจำนวนพื้นที่เพาะปลูกที่จำเป็นสำหรับพืชที่ให้ผลผลิตน้ำมัน ความลับในการช่วยให้พืชเก็บน้ำมันไว้ในเมล็ดได้มากขึ้นคือหนึ่งในโปรตีนที่เรียกว่า WRINKLED1 (WRI1) นักวิทยาศาสตร์ทราบมานานกว่าสองทศวรรษแล้วว่า WRI1 มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการผลิตน้ำมันเมล็ดพืช นับเป็นครั้งแรกที่มีการถ่ายภาพและรายงานโครงสร้างความละเอียดสูงของ WRI1 โดยทีม NTU ซึ่งนำโดยรองศาสตราจารย์ Gao Yonggui และผู้ช่วยศาสตราจารย์ Ma Wei จาก School of Biological Sciences ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์Science Advancesทีมงานได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลของ WRI1 และวิธีที่มันจับกับ DNA ของพืช ซึ่งจะส่งสัญญาณให้พืชรู้ว่ามีน้ำมันสะสมอยู่ในเมล็ดของมันมากน้อยเพียงใด จากความเข้าใจที่ว่าโครงสร้างอะตอมของคอมเพล็กซ์ WRI1-DNA ถูกเปิดเผย ทีมงานได้แก้ไข WRI1 เพื่อเพิ่มความสัมพันธ์ของดีเอ็นเอในการประมูลเพื่อปรับปรุงผลผลิตน้ำมัน ในแนวทางนี้ บางส่วนใน WRI1 ถูกเลือกสำหรับการดัดแปลงเพื่อปรับปรุงการจับกับ DNA และผลิต WRI1 หลายรูปแบบ จากนั้น WRI1 ของผู้สมัครเหล่านี้ได้รับการทดสอบเพิ่มเติมเพื่อประเมินความสามารถในการกระตุ้นการผลิตน้ำมันในเซลล์พืช ตามที่ทีมงานคาดไว้ พวกเขาแสดงให้เห็นว่า WRI1 เวอร์ชันดัดแปลงของพวกเขาเพิ่มการจับตัวของ DNA ขึ้นสิบเท่าเมื่อเทียบกับ WRI1 ดั้งเดิม ซึ่งส่งผลให้ปริมาณน้ำมันในเมล็ดพืชเพิ่มขึ้นในที่สุด รองศาสตราจารย์ Gao นักชีววิทยาด้านโครงสร้างกล่าวว่า "ความสามารถในการมองเห็นได้อย่างชัดเจนว่า WRI1 มีลักษณะอย่างไรและจับกับ DNA ที่มีหน้าที่ในการผลิตน้ำมันในโรงงานได้อย่างไร เป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจกระบวนการทั้งหมด WRI1 เป็นตัวควบคุมที่จำเป็นที่แจ้ง โรงงานจะเก็บน้ำมันไว้ในเมล็ดได้มากเพียงใด เมื่อเราเห็นภาพ 'แม่กุญแจ' แล้ว เราก็ออกแบบ 'กุญแจ' ที่สามารถปลดล็อกศักยภาพของ WRI1 ได้" การแก้ไข WRI1 ทำงานอย่างไร จากการวิเคราะห์ในระดับอะตอม โครงสร้างผลึกของโปรตีน WRI1 และเกลียวดีเอ็นเอเกลียวคู่ที่จับกัน ทีมงานสังเกตเห็นว่าโดเมนการจับดีเอ็นเอนี้ได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างกว้างขวาง ซึ่งหมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ซึ่งบ่งชี้ว่าอาจเป็นกลไกที่มีผลผูกพันกันสำหรับพืชหลายชนิด น้ำมัน ด้วยการใช้โครงสร้างผลึกของ WRI1 เป็น 'เป้าหมาย' ทีมงานจึงได้ปรับเปลี่ยน WRI1 เพื่อเพิ่มความสัมพันธ์ที่สัมพันธ์กันของโปรตีนกับ DNA เป้าหมาย คำแนะนำสำหรับการเข้ารหัสโปรตีน WRI1 ที่ดัดแปลงแล้วนี้จะถูกนำเข้าสู่เซลล์พืชเป้าหมาย หลังจากนั้นพืชจะใช้ 'ชุดคำสั่ง' ใหม่นี้เมื่อใดก็ตามที่สร้าง WRI1 ในการทดลองในห้องปฏิบัติการเพื่อสังเกตว่า WRI1 ที่ดัดแปลงแล้วส่งผลต่อการสะสมของน้ำมันอย่างไร ทั้งโปรตีนที่ดัดแปลงและรูปแบบที่ไม่ได้ดัดแปลงถูกฉีดเข้าไปใน ใบ Nicotiana benthamianaและทำการวิเคราะห์ระดับไตรเอซิลกลีเซอรอล (รูปแบบสำคัญของไขมันในอาหารในไขมันและน้ำมัน) โปรตีน WRI1 ที่ได้รับการดัดแปลงทำให้เกิดการผลิตไตรเอซิลกลีเซอรอลเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับโรงงานควบคุมที่ใช้รูปแบบ WRI1 ที่ไม่ได้ดัดแปลง การทดลองต่อมาแสดงให้เห็นว่าปริมาณน้ำมันในเมล็ดของอาราบิดอปซิสทาเลียนา ที่ปรับปรุงแล้ว มีน้ำมันมากกว่ารูปแบบที่ไม่ได้ดัดแปลง ลูกหลานของพืชดัดแปลงพันธุกรรมนี้จะมีโปรตีน WRI1 ดัดแปลงเช่นเดียวกันและผลิตน้ำมันมากขึ้นในเมล็ดของพวกมัน ผศ.หม่า นักอณูชีววิทยาพืชที่ศึกษา WRI1 มาตั้งแต่ฝึกงานหลังปริญญาเอก กล่าวว่า การปรับเปลี่ยน WRI1 เพื่อปรับปรุงการจับกับ DNA เป็นการย้ายเชิงตรรกะสำหรับทีม "เราทราบดีว่า WRI1 เป็นโปรตีนที่จับกับลำดับดีเอ็นเอของพืชและกำหนดสายโซ่คำสั่งเฉพาะที่ควบคุมการสะสมของน้ำมันในเมล็ดพืช ยิ่งมีผลผูกพันมากเท่าไร พืชก็จะยิ่งมีน้ำมันเข้มข้นอยู่ในเมล็ดมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเราจึงเลือกที่จะปรับปรุงส่วนนี้ของ WRI1 ที่จับกับ DNA เป้าหมาย ซึ่งได้รับการอนุรักษ์อย่างสูงในพืชที่มีเมล็ดหลาย ๆ ชนิด การอนุรักษ์อย่างสูงหมายถึงพืชหลายชนิดจะมีกลไกเดียวกันที่สามารถแก้ไขได้ ดังนั้น เราควร ดัดแปลงการให้ผลผลิตน้ำมันของเรากับพืชชนิดต่างๆ ในอนาคตได้อย่างง่ายดาย" ผศ.มา อธิบาย "น้ำมันเมล็ดพืชมีความสำคัญต่ออาหารของมนุษย์และถูกใช้ในอุตสาหกรรมที่สำคัญมากมาย ความต้องการน้ำมันพืชทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และการวิจัยของเรามีส่วนช่วยในการปรับปรุงการผลิตน้ำมันเมล็ดพืชในลักษณะที่ยั่งยืน และอาจลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ของการเกษตร” ผศ.มา กล่าวเพิ่มเติม จากนี้ไป ทีมงานได้ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับวิธีการดัดแปลงยีนของพวกเขาผ่าน NTUitive ซึ่งเป็นสำนักงานนวัตกรรมและองค์กรของมหาวิทยาลัย และกำลังมองหาพันธมิตรในอุตสาหกรรมเพื่อนำสิ่งประดิษฐ์ของพวกเขาไปขายในเชิงพาณิชย์ การวิจัยนี้สอดคล้องกับแผนกลยุทธ์ NTU2025 และแถลงการณ์ด้านความยั่งยืนของมหาวิทยาลัย ซึ่งมีเป้าหมายในการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีใหม่เพื่ออนาคตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม Michael Fam ประธานศาสตราจารย์ William Chen ผู้อำนวยการโครงการวิทยาศาสตร์การอาหารและเทคโนโลยีของ NTU ให้ความเห็นจากผู้เชี่ยวชาญอิสระ โดยกล่าวว่ามีสองสามวิธีในการจัดการกับปัญหาความหิวโหยของโลก ซึ่งรวมถึงการเพิ่มปริมาณอาหารที่ผลิตขึ้นหรือเพิ่มแคลอรี่และคุณค่าทางโภชนาการของอาหาร อาหารที่ผลิต "ในโลกที่มีที่ดินทำกินจำกัดสำหรับการเกษตร จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีขั้นสูงในการปลูกอาหารที่มีคุณค่าทางโภชนาการสูงขึ้น หากเราหวังว่าจะจัดการกับความหิวโหยของโลก เมื่อเราสามารถเพิ่มปริมาณไขมันในเมล็ดพืชและถั่วที่กินได้ คนเราสามารถกิน ปริมาณน้อยลงแต่ยังคงรู้สึกอิ่ม เนื่องจากปริมาณแคลอรี่ที่เพิ่มขึ้น” ศ.เฉิน ผู้เชี่ยวชาญด้านความมั่นคงด้านอาหารซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้กล่าว “ดังนั้น แทนที่จะปลูกพืชมากขึ้นเพื่อเลี้ยงผู้คนมากขึ้น เราควรพิจารณาวิธีการที่พืชผลที่ปลูกมีแคลอรีและคุณค่าทางโภชนาการมากขึ้น เพื่อให้อาหารในปริมาณที่เท่ากันสามารถเลี้ยงผู้คนได้มากขึ้น”