Genová editace pomocí technologie CRISPR/Cas představuje revoluční nástroj, který umožňuje přesné zásahy do DNA rostlin za účelem zvýšení výnosů, odolnosti vůči chorobám, škůdcům a nepříznivým klimatickým podmínkám.

Tato technologie již vedla k vývoji několika komerčně dostupných plodin, jako jsou rajčata s vyšším obsahem kyseliny gama-aminomáselné (GABA) a sója se změněným obsahem olejů, které mají pozitivní vliv na zdraví spotřebitelů a snížení ekologické zátěže. Schopnost CRISPR vytvářet cílené genetické úpravy bez vkládání cizorodé DNA je jedním z klíčových faktorů, díky kterým může být regulačně přijímána i mimo přísné GMO regulace v některých zemích, což usnadňuje její přístup na trh. Přijetí CRISPR-editovaných plodin se liší podle regionálních předpisů, ale roste zájem spotřebitelů o udržitelné a nutričně bohaté produkty, což podporuje rychlejší komercializaci této technologie. Tento abstrakt diskutuje aktuální stav a potenciální budoucí vývoj CRISPR aplikací v zemědělství, jejich přínosy pro potravinovou bezpečnost a udržitelnost, i výzvy spojené s jejich přijetím na různých trzích.

Klíčová slova: GMO, editoanérostliny, CRISPR/Cas, šlechtění

ÚVOD:

Šlechtění a genová editace jsou zásadními pilíři moderní biotechnologie, které umožňují přesné a cílené zásahy do genetického materiálu rostlin. Tradiční šlechtění, spočívající ve výběru a křížení jedinců s žádoucími vlastnostmi, vedlo ke vzniku odolnějších a výnosnějších plodin. Tento proces je však časově náročný, náročný na zdroje a často méně předvídatelný, což omezuje rychlou reakci na měnící se zemědělské výzvy, jako jsou škůdci a klimatické změny (Jones et al., 2020; Chen & Gao, 2021).

Moderní techniky genové editace, zejména technologie CRISPR/Cas, nabízejí možnost cílených zásahů do konkrétních genů řídících žádoucí vlastnosti, jako je odolnost vůči suchu, chorobám či zvýšená nutriční hodnota. Na rozdíl od tradičního šlechtění, kde je výsledek méně předvídatelný, umožňuje CRISPR/Cas rychlejší a přesnější zásahy, čímž urychluje vývoj nových odrůd (Jinek et al., 2012; Zhang et al., 2018). Tento postup zahrnuje úpravy bez vkládání cizorodé DNA, což snižuje regulační bariéry v některých regionech a urychluje přijetí na trhu (Ahmad et al., 2021).

Genová editace tedy představuje zásadní inovaci v šlechtění, která otevírá nové možnosti pro zvyšování produkční kapacity, zlepšení nutriční hodnoty plodin a přizpůsobení rostlin specifickým podmínkám prostředí. V kontextu globální potravinové bezpečnosti a udržitelnosti je tato technologie považována za klíčovou pro zajištění udržitelné produkce potravin v budoucnosti (Huang et al., 2020; Chen & Gao, 2021).

CO JSOU GENOVÉ EDITACE

Fenomén genové editace, přesných a cílených metod úpravy genomu organismů, se ve výzkumu objevuje téměř 30 let. V polovině 90. let byly jako první popsány Zinc Finger Nucleases (ZFN) – technologie založená na tzv. zinkových prstech, které se vážou na specifické sekvence DNA. Tyto proteiny v kombinaci s nukleázou umožňují cílené štěpení DNA, což vedlo k revolučnímu průlomu v oblasti genetické modifikace (Carroll, 2011).

Další pokrok přinesly meganukleázy, které se přirozeně vyskytují a jsou schopné specificky stříhat dlouhé DNA sekvence. Meganukleázy i ZFN byly významné kroky na cestě k moderním technologiím genové editace, ačkoli jejich komplexní konstrukce omezovala jejich širší využití. Vývoj následně pokračoval s TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases), což poskytlo výzkumníkům větší flexibilitu v úpravě genetického materiálu (Bogdanove & Voytas, 2011).

Nejvýznamnější průlom nastal s CRISPR/Cas, technologií vycházející z bakteriálního imunitního systému, kde CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) sekvence fungují jako paměť bakterií proti virovým útokům. Enzym Cas9, veden guide RNA, dokáže přesně identifikovat a rozštěpit cílovou DNA. Tato technologie umožnila revoluční rozšíření genové editace díky své vysoké přesnosti, jednoduchosti a účinnosti (Jinek et al., 2012).

 

 

Box 1: Principy CRISPR/Cas

 

  1. Cas9 a guide RNA (gRNA): Enzym Cas9 je veden gRNA, která má specifickou sekvenci, jež odpovídá cílovému úseku DNA, a určuje, kde přesně Cas9 rozštěpí řetězec DNA.
  2. Mechanismus úpravy: Jakmile Cas9 s gRNA dorazí k cílové sekvenci, rozštěpí DNA, což umožňuje vnést nebo opravit genetický materiál pomocí opravných mechanismů buňky.
  3. Varianty CRISPR: Kromě Cas9 existují další varianty, jako Cas12 a Cas13, které mají specifické vlastnosti, a technologie jako „base editing“ a „prime editing,“ které umožňují jemnější a cílenější zásahy bez nutnosti dvojitého rozštěpu DNA.

 

Genová editace, přesná a cílená metoda úpravy genomů, je jedním z nejdůležitějších nástrojů moderní biotechnologie posledních desetiletí. Tato oblast se začala rozvíjet v polovině 90. let se zavedením Zinc Finger Nucleases (ZFN), což byly první proteiny schopné specificky rozpoznávat a štěpit sekvence DNA, což vedlo k cíleným genetickým úpravám. ZFN využívají proteiny zvané zinkové prsty, které se vážou na konkrétní sekvence DNA, kde je následně rozštěpí nukleáza. Navzdory průkopnické povaze této technologie byly ZFN technicky náročné a jejich konstrukce byla složitá a drahá, což limitovalo jejich aplikaci v širokém měřítku (Carroll, 2011).

Následný vývoj přinesl meganukleázy, což jsou přirozeně se vyskytující enzymy, které se vyznačují schopností přesně stříhat DNA v delších sekvencích. Dalším významným krokem byly TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases), které nabídly větší flexibilitu v designu cílů a byly dostupnější pro širší spektrum výzkumů (Bogdanove & Voytas, 2011). TALENs kombinují specifické DNA vazebné proteiny s nukleázou, což umožňuje přesné zásahy, ale stále trpěly technickými omezeními.

Největší průlom však představuje CRISPR/Cas9, který byl objeven jako součást bakteriálního imunitního systému a využívá guide RNA k navigaci enzymu Cas9 na cílové místo v genomu. CRISPR sekvence fungují jako genetická „paměť“ vůči patogenům, což umožňuje Cas9 rozpoznat a rozštěpit cizorodou DNA (Jinek et al., 2012). Tato technologie je snadno přizpůsobitelná, vysoce přesná a efektivní, čímž překonává své předchůdce a otevírá nové možnosti v genetickém inženýrství, od medicíny po zemědělství (Hsu et al., 2014)(box 2)

Box 2: Přehled významných institucí zaměřených na aplikovaný výzkum CRISPR/Cas v zemědělství: Tyto instituce se zabývají úpravami plodin pro vyšší odolnost vůči suchu, škůdcům a zvýšení výnosnosti.

  1. USDA Agricultural Research Service – USA
  2. Chinese Academy of Agricultural Sciences – Čína
  3. John Innes Centre – Velká Británie
  4. International Rice Research Institute (IRRI) – Filipíny
  5. ETH Zurich – Švýcarsko
  6. Corteva Agriscience Research Centers – USA
  7. University of California, Davis – USA
  8. Wageningen University & Research – Nizozemsko
  9. Max Planck Institute for Plant Breeding Research – Německo

.

MOŽNOSTI UPLATNĚNÍ EDITOVANÝCH PRODUKTŮ

Možnosti uplatnění geneticky editovaných plodin na trhu se zaměřují na zvyšování produkce a odolnosti plodin, což má přímý dopad na zlepšení potravinové bezpečnosti a podporu udržitelného zemědělství. Geneticky upravené plodiny, jako je kukuřice odolná vůči suchu nebo pšenice rezistentní vůči chorobám, mohou snížit závislost na chemických vstupech, jako jsou pesticidy a herbicidy, a tím přispět ke snížení ekologické zátěže spojené s jejich produkcí (Qaim, 2020).

V některých regionech, zejména ve Spojených státech a Brazílii, mohou být geneticky editované plodiny uváděny na trh bez regulací typických pro GMO, což významně urychluje jejich komercializaci a přístup ke spotřebitelům (Shew et al., 2018). Tento přístup zohledňuje skutečnost, že mnoho genetických úprav zahrnuje změny, které by mohly přirozeně vzniknout také tradičním šlechtěním. Naproti tomu v Evropské unii zatím regulace zůstávají přísnější. Diskutovaný návrh na reformu regulace geneticky editovaných plodin sice získal podporu některých odborníků, avšak nebyl schválen jako závazné nařízení EU. Tato legislativní nejistota brání širšímu uplatnění těchto technologií na evropském trhu a zůstává tak otázkou, kdy a jak bude legislativa případně přizpůsobena budoucímu rozvoji v této oblasti (Sprink et al., 2016).

PŘEHLED PRODUKTŮ V TRŽNÍ SÍTI

  1. CRISPR-Editovaná sója od společnosti Calyxt (USA)

Calyxt je jednou z prvních společností, která uvedla na trh plodinu geneticky editovanou pomocí technologie CRISPR. Jedná se o sóju s vylepšeným obsahem olejů, konkrétně se zvýšeným podílem zdravých mononenasycených mastných kyselin a nižším obsahem nasycených tuků. Tato sója byla vyvinuta s cílem vytvořit zdravější alternativu ke komerčně používaným rostlinným olejům, jako je sójový nebo slunečnicový olej.

  • Výhody: Produkt nabízí nejen zdravotní výhody pro spotřebitele, ale také delší trvanlivost oleje a lepší stabilitu při vysokých teplotách během vaření. Kromě toho díky genetické editaci není třeba měnit agronomické vlastnosti plodiny, což umožňuje její snadnou adaptaci do současných produkčních systémů.
  • Trh: Sójový olej společnosti Calyxt je již komerčně dostupný na trhu ve Spojených státech a používá se ve zpracování potravin.
  1. CRISPR-Editovaná rajčata od Sanatech Seed (Japonsko)

Sanatech Seed, japonská společnost zaměřená na zemědělskou biotechnologii, uvedla na trh rajčata geneticky editovaná pomocí CRISPR technologie. Tato rajčata mají zvýšený obsah GABA (kyselina gama-aminomáselná), což je sloučenina, která je spojována se snižováním krevního tlaku a pozitivními účinky na zdraví srdce.

  • Výhody: GABA je populární doplněk v Japonsku díky svým zdravotním účinkům, zejména v souvislosti se snižováním stresu a úzkosti. Rajčata s vyšším obsahem GABA tak představují funkční potravinu, která nabízí přidanou hodnotu pro zdraví.
  • Trh: Sanatech Seed začala tato rajčata uvádět na japonský trh v roce 2021, a to jak pro domácí zahradníky, tak i pro komerční producenty. Rajčata jsou první geneticky editovanou potravinou komerčně dostupnou v Japonsku.
  1. CRISPR-Editovaná houba Agaricus bisporus (USA)

Vědci na Pennsylvánské státní univerzitě ve Spojených státech geneticky editovali běžnou žampiónovou houbu (Agaricus bisporus), aby měla prodlouženou trvanlivost. Pomocí technologie CRISPR byla upravena exprese enzymu polyfenoloxidázy, který je zodpovědný za hnědnutí hub po sklizni.

  • Výhody: Snížená exprese tohoto enzymu prodlužuje trvanlivost hub, což přináší výhody nejen pro spotřebitele, ale i pro producenty a distributory. Vzhledem k tomu, že méně hub zhnědne, je menší ztráta během transportu a skladování, což snižuje plýtvání potravinami.
  • Trh: Tyto geneticky editované houby získaly od USDA výjimku z regulace geneticky modifikovaných organismů, což znamená, že mohou být uvedeny na trh bez dalších právních omezení. Přesto ještě nebyly plně komerčně dostupné, ale nacházejí se krátce před vstupem na trh.
  1. CRISPR-Editovaná kukuřice s vyšším obsahem škrobu (Argentina)

Společnost Bioceres Crop Solutions v Argentině vyvinula kukuřici geneticky editovanou technologií CRISPR, která má vyšší obsah škrobu a je odolnější vůči suchu. Editací byly vylepšeny enzymy zapojené do metabolismu škrobu v kukuřičných zrnech, což zvyšuje produktivitu plodiny v podmínkách s nižším přísunem vody.

  • Výhody: Tato plodina poskytuje zemědělcům v regionech postižených změnami klimatu, kde je nedostatek vody, výhodu, protože má lepší výnosy i při nižší dostupnosti zavlažovací vody. Vyšší obsah škrobu zároveň zvyšuje energetickou hodnotu kukuřičných produktů.
  • Trh: Geneticky editovaná kukuřice Bioceres se nachází v pokročilých fázích polních zkoušek a komercializace je plánována na nadcházející roky, zejména v Jižní Americe a dalších oblastech s podobnými klimatickými podmínkami.

ZÁVĚR

Tyto příklady ukazují potenciál technologie CRISPR v oblasti zemědělství, která nabízí výhody nejen pro producenty, ale i pro spotřebitele a pro životní prostředí. Genetická editace umožňuje rychlé a přesné úpravy plodin, což otevírá nové možnosti pro rozvoj udržitelnějších a zdravějších potravinových systémů po celém světě. V EU budeme čekat, co přinese nova legislative

 

Autor:

Ovesná Jaroslava, doc., RNDr., CSc.,

VURV, v.v.i., Drnovska 507, 160 00 Praha 6

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

tel. 731448342

 

Literární odkazy

  • Ahmad, M., Zaidi, S. S.-e.-A., Gaba, Y., Sharma, R., & Mahfouz, M. M. (2021). Applications of CRISPR/Cas genome editing in plants: Development of disease resistance and improved crop yield. Frontiers in Plant Science, 12, 734229. doi:10.3389/fpls.2021.734229.
  • Ahmad, M., Zaidi, S. S.-e.-A., Gaba, Y., Sharma, R., & Mahfouz, M. M. (2021). Applications of CRISPR/Cas genome editing in plants: Development of disease resistance and improved crop yield. Frontiers in Plant Science, 12, 734229. doi:10.3389/fpls.2021.734229.
  • Bhatta, M. P., & Ghosh, A. (2020). CRISPR/Cas9 genome editing for crop improvement: Technology advancements and regulatory challenges. Bioengineering and Biotechnology, 8(5), 150-163. doi:10.1007/s12935-020-01548-5.
  • Bogdanove, A. J., & Voytas, D. F. (2011). TAL effectors: Customizable proteins for DNA targeting. Science, 333(6051), 1843-1846. doi:10.1126/science.1204094
  • Bogdanove, A. J., & Voytas, D. F. (2011). TAL effectors: Customizable proteins for DNA targeting. Science, 333(6051), 1843-1846. doi:10.1126/science.1204094
  • Carroll, D. (2011). Genome engineering with zinc-finger nucleases. Genetics, 188(4), 773-782. doi:10.1534/genetics.111.131433
  • Carroll, D. (2011). Genome engineering with zinc-finger nucleases. Genetics, 188(4), 773-782. doi:10.1534/genetics.111.131433
  • Chen, X., & Gao, C. (2021). Harnessing the genome editing tool CRISPR/Cas9 to improve crop resilience. Plant Biotechnology Reports, 15(4), 563-576. doi:10.1007/s11816-021-00726-5.
  • Ferreira, L. M., da Silva, J. D., & Mendes, M. P. (2023). Consumer preferences in genetically edited crops: Implications for commercial traits and market adoption. Journal of Agricultural Biotechnology, 19(1), 26-35. doi:10.1016/j.jagbi.2023.01.011.
  • Goulin, K., Pereira, E. A., & Moraes, F. T. (2019). Advances in gene editing technologies for agriculture: Applications and ethical considerations. Journal of Plant Biotechnology, 8(3), 189-202. doi:10.1016/j.plantbi.2019.08.015.
  • Hsu, P. D., Lander, E. S., & Zhang, F. (2014). Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell, 157(6), 1262-1278. doi:10.1016/j.cell.2014.05.010
  • Huang, S., Weigel, D., Beachy, R. N., & Li, J. (2020). A proposed regulatory framework for genome-edited crops. Nature Genetics, 52(5), 487-490. doi:10.1038/s41588-020-0607-7.
  • Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337(6096), 816-821. doi:10.1126/science.1225829.
  • Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337(6096), 816-821. doi:10.1126/science.1225829
  • Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337(6096), 816-821. doi:10.1126/science.1225829
  • Jones, H. D., & Wingen, L. U. (2020). The changing landscape of plant breeding. Journal of Experimental Botany, 71(18), 5299-5307. doi:10.1093/jxb/eraa278.
  • Khan, A. A., Bhatti, H., & Wang, Z. (2019). CRISPR-Cas systems for genome editing: Technological advancements and implications for crop improvement. Agricultural Sciences Review, 34(2), 67-84. doi:10.1080/01621459.2019.1450293.
  • Liu, M., Khan, A. A., & Shen, J. (2022). Regulatory frameworks for CRISPR-edited crops: Comparative study and analysis. Journal of Agricultural Policy and Law, 15(5), 98-112. doi:10.1016/j.japl.2022.101103
  • Ma, J., Li, X., & Zhao, Y. (2021). Enhanced crop traits through CRISPR-Cas-based gene editing: Current challenges and future directions. Frontiers in Crop Science, 17(1), 45-58. doi:10.3389/fcrops.2021.017013.
  • Qaim, M. (2020). Role of new plant breeding technologies for food security and sustainable agricultural development. Applied Economic Perspectives and Policy, 42(2), 129-150. doi:10.1002/aepp.13044.
  • Shew, A. M., Nalley, L. L., Snell, H. A., Nayga, R. M., & Dixon, B. L. (2018). CRISPR versus GMOs: Public acceptance and valuation. Global Food Security, 19, 71-80. doi:10.1016/j.gfs.2018.10.005.

 

  • Sprink, T., Eriksson, D., Schiemann, J., & Hartung, F. (2016). Regulatory hurdles for genome editing: The European regulatory perspective in comparison to other regions. Plant Cell Reports, 35(7), 1493-1506. doi:10.1007/s00299-016-1990-2.
  • Zhang, T., & Yang, H. (2020). Development of CRISPR applications in crop sciences and potential impacts on future agriculture. Biotechnology Advances, 13(7), 1213-1228. doi:10.1016/j.biotechadv.2020.120314.
  • Zhang, Y., Massel, K., Godwin, I. D., & Gao, C. (2018). Applications and potential of genome editing in crop improvement. Genome Biology, 19(1), 210. doi:10.1186/s13059-018-1586-y.