ห้องสมุดสาหร่ายให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับยีนสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง

ตอนนี้ทีมที่นำโดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันได้สร้าง "ห้องสมุด" สาธารณะเพื่อช่วยให้นักวิจัยค้นหาว่ายีนแต่ละตัวทำหน้าที่อะไร ทีมงานใช้ห้องสมุดในการระบุยีน 303 ยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสง รวมถึงยีนที่เพิ่งค้นพบใหม่ 21 ยีนที่มีศักยภาพสูงในการให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกระบวนการทางชีววิทยาที่ค้ำจุนชีวิตนี้ การศึกษาได้รับการเผยแพร่ทางออนไลน์ในสัปดาห์นี้ในNature Genetics Martin Jonikas ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านอณูชีววิทยาของ Princeton กล่าวว่า "ส่วนของพืชที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ด้วยแสงเปรียบเสมือนเครื่องจักรที่ซับซ้อนที่ประกอบด้วยส่วนต่างๆ มากมาย และเราต้องการเข้าใจว่าแต่ละส่วนทำหน้าที่อะไร" "เราหวังว่าห้องสมุดแห่งนี้จะเป็นหนึ่งในรากฐานที่ผู้คนจะสร้างขึ้นเพื่อสร้างการค้นพบในรุ่นต่อไป" การปลดล็อกบทบาทของแต่ละยีนอาจทำให้นักวิจัยสามารถออกแบบพืชให้เติบโตได้รวดเร็วขึ้น ซึ่งอาจตอบสนองความต้องการด้านอาหารของโลกในอนาคต นอกจากนี้ พืชยังสามารถเปลี่ยนแปลงเพื่อดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้มากขึ้น ซึ่งช่วยรับมือกับความท้าทายด้านสภาพอากาศ ห้องสมุดซึ่งได้รับทุนส่วนใหญ่จากทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ประกอบด้วยสาหร่ายเซลล์เดียวจำนวนหลายพันชนิดที่อาศัยอยู่ในสระน้ำ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ Chlamydomonas reinhardtii หรือเรียกสั้นๆ ว่า Chlamy "หนังสือ" แต่ละเล่มในห้องสมุดเป็นสายพันธุ์ของ Chlamy ที่มีการกลายพันธุ์เพียงครั้งเดียว สายพันธุ์ที่กลายพันธุ์มากกว่า 62,000 สายพันธุ์ ซึ่งอยู่ที่ศูนย์ทรัพยากร Chlamydomonas ของมหาวิทยาลัยมินนิโซตา ครอบคลุมยีนของ Chlamy มากกว่า 80 เปอร์เซ็นต์ ห้องสมุดที่คล้ายกันนี้ถูกสร้างขึ้นในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวอื่นๆ เช่น ยีสต์ แต่นี่เป็นความพยายามครั้งแรกสำหรับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่ สังเคราะห์ แสงได้ การเติบโตอย่างรวดเร็วของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวทำให้พวกมันมีค่าเป็นเครื่องมือในการวิจัย Karen Cone ผู้อำนวยการโครงการของ National Science Foundation ซึ่งเป็นผู้สนับสนุนหลักในการวิจัยกล่าวว่า "เนื่องจากสาหร่ายชนิดนี้มักถูกใช้เป็นแบบจำลองเพื่อทำความเข้าใจกระบวนการทางชีววิทยาที่หลากหลายมากขึ้น ห้องสมุดแห่งนี้จึงเป็นแหล่งทรัพยากรที่สำคัญ" . "ความร่วมมือระหว่างกลุ่ม Jonikas และ Chlamydomonas Resource Center ช่วยเพิ่มการเข้าถึงทรัพยากรอันมีค่านี้ของชุมชน ซึ่งจะช่วยให้ค้นพบสิ่งใหม่ ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเด็นสำคัญด้านการวิจัยของ NSF เรื่อง 'Understanding the Rules of Life'" เนื่องจากความท้าทายต่างๆ ที่มีอยู่ในจีโนมของ Chlamy โครงการนี้จึงใช้เวลานานถึงเก้าปีจึงจะเสร็จสมบูรณ์ ตลอดโครงการ นักวิจัยใช้หุ่นยนต์เพื่อรักษาเซลล์รุ่นต่อรุ่นให้คงอยู่โดยการเปลี่ยนอาหารเหลวที่อุดมด้วยสารอาหารที่พวกมันอาศัยอยู่ โครงการเริ่มต้นในปี 2010 ในขณะที่ Jonikas และทีมของเขาอยู่ที่สถาบันวิทยาศาสตร์คาร์เนกีในมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และเสร็จสิ้นที่ Princeton ซึ่งเป็นที่ที่ห้องปฏิบัติการ Jonikas ย้ายไปในปี 2016 โครงการนี้เป็นการร่วมมือกับ Arthur Grossman นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Carnegie และศูนย์ทรัพยากร Chlamydomonas ดำเนินการโดย Paul Lefebvre ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาพืชและจุลินทรีย์ที่มหาวิทยาลัยมินนิโซตา ความสามารถในการสังเกตเซลล์ Chlamy ที่มียีนบกพร่องเพียงยีนเดียวจากยีนที่ทำงานอื่นๆ ทั้งหมดช่วยให้นักวิจัยสามารถทราบได้ว่ายีนนั้นทำหน้าที่อะไร ตัวอย่างเช่น หากเซลล์มีปัญหาในการเคลื่อนที่ การทำงานของยีนที่บกพร่องมักจะเกี่ยวข้องกับการควบคุมการเคลื่อนไหวเป็นส่วนใหญ่ Jonikas เปรียบเทียบห้องสมุด Chlamy กลายพันธุ์กับห้องสมุดที่มีสำเนาคู่มือการสร้างรถยนต์หลายพันเล่ม โดยแต่ละสำเนาไม่มีส่วนที่แตกต่างกัน ไม่ว่าจะใช้คู่มือแบบใด ผลที่ได้คือชิ้นส่วนขาดหายไป ทำให้ไม่สามารถใช้งานตามที่ต้องการได้ "แตรอาจไม่ทำงาน หรือพวงมาลัยอาจไม่หมุน" โยนิคัสกล่าว "แล้วคุณจะรู้ว่าส่วนที่หายไปมีคำแนะนำสำหรับส่วนนั้นของรถ" ห้องสมุดช่วยให้นักวิจัยสามารถทดสอบ Chlamy กลายพันธุ์หลายสายพันธุ์พร้อมกันได้ เนื่องจากการกลายพันธุ์แต่ละครั้งจะมีป้ายกำกับว่า "บาร์โค้ด DNA" ที่ไม่ซ้ำกัน สำหรับการศึกษาในปัจจุบัน ผู้วิจัยได้ใส่สายพันธุ์ Chlamy หลายพันสายพันธุ์ลงในขวดแก้วใบเดียวและนำไปสัมผัสกับแสง สายพันธุ์ที่ล้มเหลวในการเจริญเติบโตมีแนวโน้มที่จะมียีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสง หนึ่งในยีนที่ระบุใหม่คือ CPL3 ซึ่งคิดว่ามีบทบาทในการสะสมโปรตีน "ส่วน" ของเครื่องจักรสังเคราะห์แสง ทีมงานกำลังสำรวจว่ายีนช่วยให้สาหร่ายปรับกิจกรรมการสังเคราะห์แสงตามการเปลี่ยนแปลงของระดับแสงแดดหรือไม่ ห้องสมุดกลายพันธุ์สามารถเปิดใช้การศึกษาในด้านอื่นๆ ของชีววิทยาพืช เช่น การสื่อสารภายในเซลล์ และความสามารถของ Chlamy ในการพายเรือไปรอบๆ สภาพแวดล้อมโดยใช้ซีลีเนียมที่มีลักษณะคล้ายหาง Xiaobo Li ผู้เขียนคนแรกของการศึกษาเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Princeton เมื่อทีมสร้างห้องสมุดเสร็จ "เราหวังว่าห้องสมุด Chlamydomonas กลายพันธุ์และยีนที่ระบุจะนำไปสู่การค้นพบพื้นฐานมากมายในการสังเคราะห์แสง การเคลื่อนที่ของเซลล์ และกระบวนการอื่นๆ อีกมากมาย" Li กล่าว Weronika Patena นักวิเคราะห์ชีวสารสนเทศอาวุโสในห้องปฏิบัติการ Jonikas ได้เขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมากเพื่อระบุยีนที่น่าจะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงมากที่สุด "ฉันเชื่อว่าความสำเร็จของโครงการนี้จะช่วยเร่งการวิจัยเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงและกระบวนการอื่นๆ ซึ่ง Chlamy เป็นแบบอย่างที่ดีและให้คุณค่าอย่างมากแก่ชุมชนวิทยาศาสตร์" เธอกล่าว