Wielu z nas, widząc interesującą roślinę, odcina liść czy fragment korzenia w celu wyhodowania równie pięknego okazu u siebie w domu. Jak to się dzieje, że już niewielki fragment wystarczy, aby otrzymać nową roślinę? Odpowiedzialne za to są m.in. cząsteczki mikroRNA, które stały się przedmiotem badań dr Anny Wójcik z Katedry Genetyki Uniwersytetu Śląskiego.

Dr Anna Wójcik z Katedry Genetyki UŚ

W każdej części rośliny, w każdej jej komórce zapisana jest informacja w postaci kodu DNA dotycząca budowy całego organizmu. Na określonym etapie rozwoju komórka „wycisza” pewne fragmenty kodu i korzysta tylko z tych, które mówią jej, jak być np. liściem. Biolodzy, odrywając ten liść i wprowadzając go do kultury in vitro w odpowiednich warunkach, sprawiają, że ta sama komórka wraca do swego stanu pierwotnego i ze względu na zdolność do różnicowania może stać się elementem tkanki innego typu. Zdolność komórek do różnicowania się nazwano totipotencją.

Idealnym przykładem totipotencji jest somatyczna embriogeneza – proces, w wyniku którego z komórek somatycznych, czyli np. korzenia, można otrzymać zarodki bez procesu zapłodnienia, a z nich nową roślinę. To właśnie analiza somatycznej embriogenezy stała się głównym celem badań dr Anny Wójcik.

– Kluczowe pytanie brzmi zatem, jakie mechanizmy genetyczne sprawiają, że roślina w określonych warunkach zaczyna się regenerować. Innymi słowy, co powoduje, że komórki, które na pewnym etapie rozwoju stały się komórkami korzenia, nagle znów mogą się różnicować na przykład w komórki liścia – pyta naukowiec.

Gdy genetyk rozpoczynała swoje badania, było już wiadomo, że cząsteczki mikroRNA biorą udział w regulowaniu czynników transkrypcyjnych będącymi jednym z głównych regulatorów procesu somatycznej embriogenezy. Badanie owych zależności stało się przedmiotem jej rozprawy doktorskiej. Na podstawie otrzymanych wyników udowodniła, że cząsteczki mikroRNA160 i mikroRNA166 biorą udział w indukcji analizowanego procesu. Dr Anna Wójcik zaobserwowała, że zaburzenie działania tych cząsteczek w roślinie powoduje spontanicznie pojawianie się na powierzchni liści zarodków somatycznych, bez udziału czynników zewnętrznych. To był sygnał świadczący o kluczowej roli mikroRNA w indukcji regeneracji roślin poprzez kontrolę somatycznej embriogenezy.

Aby kontynuować badania, dr Anna Wójcik stworzyła nowe narzędzie badawcze pozwalające wykryć miejsce aktywności interesujących ją mikroRNA w organizmie roślinnym. Do tej pory można było zaobserwować jedynie, co się dzieje z rośliną, gdy zaburzone zostaje działanie badanej cząsteczki. Dzięki pracy dr Anny Wójcik oraz środkom otrzymanym z Narodowego Centrum Nauki naukowcy zyskali możliwość sprawdzenia, w których dokładnie komórkach badana cząsteczka jest aktywna, a w których nie. MikroRNA danego typu występują bowiem w całej roślinie, lecz ich działanie może być ograniczone jedynie do określonych tkanek.

W celu uzyskania nowego narzędzia dr Anna Wójcik utworzyła sensorowe linie transgeniczne.

– Wyobraźmy sobie konstrukcję składającą się z trzech części. Na początku jest sekwencja startowa – promotor wybranego genu, do którego przyłącza się maszyneria odpowiedzialna za proces transkrypcji. Kolejna sekwencja rozpoznawalna jest przez wybrany typ mikroRNA, np. przez mikroRNA166. Na końcu znajduje się sekwencja kodująca białko zielonej fluorescencji. Taka trójelementowa konstrukcja zostaje wprowadzona do wszystkich komórek organizmu rośliny, w pewnych tkankach jednak mikroRNA166 będzie aktywne, w innych nie – mówi genetyk.

Jeśli zatem w komórkach liścia badane mikroRNA nie jest aktywne, cała sekwencja konstruktu przechodzi proces transkrypcji i translacji, efekt będzie można zobaczyć pod mikroskopem fluorescencyjnym. Jeśli natomiast ten sam typ mikroRNA będzie aktywny np. w komórkach korzenia, konstrukt w obrębie drugiego członu zostaje przecięty przez mikroRNA i nie powstanie białko zielonej fluorescencji. Na tej podstawie, obserwując występowanie bądź niewystępowanie emisji zielonego światła, można stwierdzić, czy w danej tkance mikroRNA jest aktywne, czy też nie.

– Dlaczego w jednych tkankach się uaktywnia, a w innych nie, pozostaje tajemnicą. Na razie wiemy jedynie, że aktywność cząstek zależy od rodzaju mikroRNA, gatunku rośliny, etapu jej rozwoju, a także zmiany warunków, w których ona funkcjonuje – mówi naukowiec. Poznanie roli mikroRNA może w przyszłości okazać się przydatne do tworzenia nowych odmian roślin agronomicznie istotnych, takich jak jęczmień, ryż, kukurydza czy pszenica.

Za opracowanie nowego narzędzia w biologii molekularnej dr Anna Wójcik otrzymała Polską Nagrodę Inteligentnego Rozwoju 2019 w kategorii naukowiec przyszłości.

– Prowadzę badania podstawowe służące przede wszystkim zdobywaniu nowej wiedzy. Tym bardziej cieszę się, że zostały docenione właśnie w takim konkursie – przyznaje laureatka nagrody.