עבודה סמינריונית (תואר שני) בביולוגיה: השבחת יבולים (ביופורטיפיקציה) להגברת הייצור של חומצת האמינו ליזין באורז

השבחת יבולים (ביופורטיפיקציה) להגברת הייצור של חומצת האמינו ליזין באורז

תקציר

אורז הוא אחד ממקורות האנרגיה החשובים ביותר בעולם, אך בעוד שהוא המקור העיקרי לאנרגיה עבור אוכלוסיות רבות הוא אינו מכיל כמויות מספיקות של החמצה האמינית החיונית ליזין. כיום ידועים שישה נתיבי סינתזה לליזין בעולם החי. בסינתזה שנמצאה בצמחים עילאיים, מסונתז ליזין מאספרטאט במסלול שהבקרה עליו מתרחשת בעיקר באמצעות האנזימים אספרטט קינאז ו-ll-DAP-AT.
בעבודה זו אתייחס לשלוש גישות להשבחת יבולים לליזין (ביופורטיפיקציה): הגברת יצור הליזין החופשי, מניפולציה על חלבונים מאכסנים בתא ויצירת ביטוי יתר של חלבונים עשירים בליזין. במאמר המרכזי אציג עבודה בה נעשה שימוש בביטוי יתר של חלבוני היסטונים אנדוגניים בכדי להגדיל את כמות הליזין בקווים טרנסגניים. השימוש בחלבון אנדוגני מאפשר התייחסות לפוטנציאל לפגיעה פזיולוגית בזרעים הטרנסגניים שתוביל לפגיעה ביבול. בנוסף לכך אציג מספר עבודות בהן נעשתה ביופורטיפיקציה לליזין באמצעות ביטוי יתר של חלבונים במסלול הסינתזה לליזין, באמצעות דיכוי של אנזים המבוקר ע"י ליזין במסלול הסינתזה ובאמצעות ביטוי חלבונים מגנים שאינם אנדוגניים. ביופורטיפיקציה של יבולים חשובים עבור אוכלוסיות במדינות חלשות הוא נושא בעל חשיבות גבוהה להבטחת תזונה ברחבי העולם, והמחקרים המוצגים בעבודה כוללים שיטות ביוטכנולוגיות חדשניות שנועדות להתמודד עם אתגר זה.

תוכן עניינים

מבוא 4
ביוסינתזה של ליזין בצמחים ובקרה על התהליך 4
גישת ביטוי חלבונים עם ריכוז ליזין גבוה בתא 7
אסטרטגית המחקר ותוצאות 8
השוואה למחקרים נוספים 10
סיכום ומסקנות 12
בבליוגרפיה 13

מבוא

אורז הוא אחד ממקורות האנרגיה התזונתיים החשובים ביותר בעולם, המספק 20% ממקורות האנרגיה העולמיים וכן הוא המזון העיקרי עבור ארצות באסיה, באיזור הפסיפי, באמריקה ובאפריקה (FAO, 2004). במדינות מתפתחות רבות, בהן מגוון המזון נמוך, אורז הוא מקור האנרגיה היחיד (Pellett and Ghosh, 2004). עם זאת, אורז לא מספק תזונה מלאה שכן אין בו כמויות מספיקות של ויטמין A, ברזל וליזין, ולכן אוכלוסיות שמתבססות על אכילת אורז סובלות מחוסר תזונה (Sautter et al., 2006). ליזין היא חומצת אמינו חיונית, כלומר היא אינה מסונתזת בגוף האדם ועם זאת משתתפת בתהליכים רבים בגוף ובתא. לליזין תפקיד מרכזי בסינתזת חלבונים בתא וכן היא נפוצה במרכז הריאקציה של אנזימים שונים. מחסור בליזין עשוי לגרום לעיכוב גדילה, פגיעה בהתפתחות, עיוורון ובעיות נוספות (Pallett and Ghosh, 2004).
ישנם מספר פתרונות שנועדו לענות על החוסר התזונתי באוכלוסיות מדינות מתפתחות, כמו תוכניות לחלוקת תוספי תזונה פתרונות אלו אינם ברי-קיימא מכמה סיבות: חוסר היציבות הכימי של תוספים מסוימים, עלויות גבוהות של תוכניות אלו, אי-יציבות פוליטית שמקשה על הגעה לאוכלוסיות רבות וכן האתגר הלוגיסטי בהגעה לאוכלוסיות פזורות (Sautter et al., 2006).
בשל כך, העשרת אורז בליזין באמצעות ביוטכנולוגיה חקלאית יכולה לתת מענה לחוסר תזונתי בארצות מתפתחות ברחבי העולם ולסייע לאוכלוסיות חלשות שחסרות גישה למגוון מזונות רחב. העשרת מזון בסיסי בכדי לשפר את ערכי התזונה הזמינים לבני אדם היא פתרון ארוך-טווח ובר-קיימא (Hirschi, 2009). בעבודה זו אתמקד בגישת הביופורטיפיקציה, תהליך בו המאקרונוטריינטים החיוניים מוספים ישירות למרכיבי תזונה מרכזיים (Bouis, 2003). אסטרטגיות שונות לביופורטיפיקציה כוללות הוספת דישון וכן השבחה מסורתית, אך כיום הן כוללות שיטות ביוטכנולוגיות חדשניות באמצעים טרנסגניים מגוונים (Hirschi, 2009).
שיטות טרנסגניות אלו כוללות החדרת גנים לביטוי חלבונים בעלי ריכוז חומצות אמינו רצוי, שינוי ביטוי של אנזימים שונים באמצעות השתקה או ביטויים ביתר וכך יצירת שינויים בביוסינתזה של חומרים שונים ועוד (Wong et al., 2015). בעבודה זו אציג מספר מחקרים שעוסקים בשיפור הרכב יבולים שונים ואפרט את האסטרטגיות בהן נקטו החוקרים, תוך המתקדות במאמר מרכזי מהשנה האחרונה בה נעשה שימוש בגן ידוע להיסטונים בכדי להגדיל את כמות הליזין החופשי בגרגרי אורז.