انتقال ژن به سلول‌های توتون (Nicotiana tabacum) به‌وسیله نانولوله‌های کربن: ناقلی جدید برای انتقال ژن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، پردیس دانشگاهی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانشگاه گیلان، دانشکده علوم کشاورزی، گروه بیوتکنولوژی

3 گروه نانوبیوتکنولوژی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

4 گروه بیوشیمی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده
یکی از اهداف اصلی زیست فناوری گیاهی ارائه تکنیکی ایمن و کارا جهت انتقال ژن به سلول‌های گیاه است. تا به امروز متداول‌ترین و موفق‌ترین روش انتقال ژن در گیاهان، انتقال به کمک اگروباکتریوم بوده که البته با محدودیت‌هایی از جمله نوع گیاه میزبان روبرو ‌می‌باشد. به منظور رفع این محدودیت‌ها و بهینه سازی انتقال ژن، تکنیک‌های مختلفی پیشنهاد شده است اما هیچ یک از آنها جایگزین مناسبی برای اگروباکتریوم نبوده‌اند. در سال‌های اخیر فناوری نانو به عنوان راهکار جدیدی جهت فائق آمدن به محدودیت‌های زیست فناوری مورد توجه قرار گرفته است‌. طراحی و استفاده از نانوساختارهای زیست سازگاری که توانایی عبور از موانع سلولی و قابلیت انتقال هدفمند مواد را دارند دستاوردهای زیستی را بهبود بخشیده است.‌‌‌ در این تحقیق نانولوله‌ی کربن که یکی از نانوذرات پرکاربرد و ناقلین موفق ماکرومولکول‌ها به سلول‌های پستانداران است برای نخستین بار جهت انتقال ژن به سلول گیاه مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور تلاش شد با کمک نانولوله‌های کربنی تک دیواره‌ای که با آرژنین عامل‌دار شده بودند (Arg-SWNTDNA پلاسمیدی حامل ژن گزارشگر GFP (کد کننده پروتئین نشر‌دهنده نور سبز) به سلول‌های توتون (در شرایط سوسپانسیون) انتقال داده شود. بر اساس نتایج به‌دست آمده نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWNT) توانستند در حالی‌که DNA پلاسمیدی به آنها متصل بود از دیواره سلولی و غشا پلاسمایی عبور کنند. تصاویر به‌دست آمده از میکروسکوپ فلورسنت موفقیت در انتقال ژن به کمک Arg-SWNT را تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ahmed, M., Jiang, X., Deng, Z., and Narain, R. (2009) Cationic Glyco-Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes as Efficient Gene Delivery Vehicles. Bioconjug. Chem. 20, 2017- 2022.
[2] Bianco, A., Kostarelos, K., and Prato, M. (2005) Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Curr. Opin. Chem. Bio. 9, 674- 679.
[3] Wang, M., Ya, S., Wang, C., and Kong, J. (2010) Tracking the endocytic pathway of recombinant protein toxin delivered by multiwalled carbon nanotubes. ACS Nano. 4, 6483- 6490.
[4] Esfandiary, E., Valiani, A., Hashemibeni, B., Moradi, I., and Narimani, M. (2014) The evaluation of toxicity of carbon nanotubes on the human adipose-derived-stem cells in-vitro. Adv. Biomed. Res. 3, 40.
[5] Lin, D., and Xing, B. (2007) Phytotoxicity of nanoparticles: Inhibition of seed germination and root growth. Environ. Pollut. 150, 243- 250.
[6] Patlolla, A., Knighten, B., and Tchounwou, P. (2010) Multi-walled carbon nanotubes induce cytotoxicity, genotoxicity and apoptosis in normal human dermal fibroblast cells. National Institutes of Health. 20, 65- 72.
[7] Vardharajula, S., Ali, SK., Tiwari, P. M., Eroglu, E., Vig, K., Dennis, V. A., and Singh, S. R. (2012) Functionalized carbon nanotubes: biomedical applications. Int. J. Nanomedicine. 7, 5361- 5374.
[8] Pantarotto, D., Singh, R., McCarthy, D., Erhardt, M., Briand, J. P., Prato, M., Kostarelos, K., and Bianco, A. (2004). Functionalized Carbon Nanotubes for Plasmid DNA Gene Delivery. Angew. Chem. Int. Ed. 43, 5242– 5246.
[9] Foillard, S., Zuber, G., and Doris, E. (2011) Polyethylenimine–carbon nanotube nanohybrids for siRNA-mediated gene silencing at cellular level. Nanoscale. 3, 1461–1464.
[10] Liu, Y., Wu, D. C., Zhang, W. D., Jiang, X., He, C. B., Shung, C. T., Hong, G. S., and Leong, K. W. (2005) Polyethylenimine-Grafted Multiwalled Carbon Nanotubes for Secure Noncovalent Immobilization and Efficient Delivery of DNA. Angew. Chem. Int. Ed. 44, 4782 – 4785.
[11] Singh, R., Pantarotto, D., McCarthy, D., Chaloin, O., Hoebeke, J., Partidos, C. D., Briand, J. P., Prato, M., Bianco, A., and Kostarelos, K. (2005) Binding and Condensation of Plasmid DNA onto Functionalized Carbon Nanotubes: Toward the Construction of Nanotube-Based Gene Delivery Vectors. J. Am. Chem. Soc. 127, 4388-4396.
[12] Khodakovskaya, M., De Silva, K., Biris, A. S., Dervishi, E., and Villagarcia, H. (2012) Carbon Nanotubes Induce Growth Enhancement of Tobacco Cells. ACS Nano. 6, 2128–2135.
[13] Khodakovskaya, M., Dervishi, E., Mahmood, M., Xu, Y., Li, Z., Watanabe, F., and Biris, A. S. (2009) Carbon Nanotubes Are Able To Penetrate Plant Seed Coat and Dramatically Affect Seed Germination and Plant Growth. ACS Nano. 3, 3221-3227.
[14] Zhai, G., Gutowski, S. M., Walters, K. S., Yan, B., and Schnoor, J. L. (2015) Charge, Size, and Cellular Selectivity for Multiwall Carbon Nanotubes by Maize and Soybean. Environ. Sci. Technol. 49, 7380-7390.
[15] Liu, Q., Chen, B., Wang, Q., Shi, X., Xiao, Z., Lin, J., and Fang, X. (2009) Carbon Nanotubes as Molecular Transporters for Walled Plant Cells. Nano Lett. 9, 1007-1010.
[16] Pompeo, F., and Resasco, D. E. (2002) Water solubilization of single-walled carbon nanotubes by functionalization glucosamine. Nano Letter. 2, 369- 373.
[17] Zhang, L., Wang, X. J., Wang, J., Grinberg, N., Krishnamurthy, D., and Senanayake, C. H. (2009) An improved method of amide synthesis using acyl chlorides. Tetrahedron Lett. 50, 2964-2966.
[18] Mirzapoora, A., and Ranjbar, B. (2017) Biophysical and electrochemical properties of Self-assembled noncovalent SWNT/DNA hybrid and electroactive nanostructure. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 93, 208-215.
[19] Usami, S., Morikawa, S., Takebe, I., and Machida, Y. (1987) Absence in monocotyledonous plants of the diffusible plant factors inducing T-DNA circularization and vir gene expression in Agrobacterium. Mol. Gen. Genet. 209, 221- 226.
[20] Carpita, N., Sabularse, D., Montezinos, D., and Delmer, D. P. (1979) Determination of the pore size of the cell walls of living plant cells. Science. 205, 1144-1147.
[21] Serag, M., Kaji, N., Gaillard, C., Okamoto, Y., Terasaka, K., Jabasini, M., Tokeshi, M., Mizukami, H., Bianco, A., and Baba, Y. (2011) Trafficking and Subcellular Localizatio of Multiwalled Carbon Nanotubes in Plant Cells. ACS Nano. 5, 493-499.
[22] Serag, M., Kaji, N., Tokeshi, M., and Baba, Y. (2012) Introducing carbon nanotubes into living walled plant cells through cellulase-induced nanoholes. The Royal Society of Chemistry. 2, 398- 400.
[23] Madani, S. Y., Mandel, A., and Seifalian, A. M. (2013) A concise review of carbon nanotube's toxicology. Nano Rev. 4, 21521.
[24] Charbgoo, F., Behmanesh, M., and Nikkhah, M. (2015) Enhanced reduction of single-wall carbon nanotube cytotoxicity in vitro: Applying a novel method of arginine functionalization. Biotechnol. Appl. Biochem. 62, 598-605.
[25] Chen, C. P., Chou, J. C., Liu, B. R., Chang, M., and Lee, H. (2007) Transfection and expression of plasmid DNA in plant cells by an arginine-rich intracellular delivery peptide without protoplast preparation. FEBS Lett. 581, 1891-1897.
[26] Montanheiro, T. L., and Cristovan, F. H. (2014) Effect of MWCNT functionalization on thermal and electrical properties of PHBV/MWCNT nanocomposites. J. Mater. Res. 30, 55-65.
[27] Sarpong, L. K., Bredol, M., and Schonhoff, M. (2017) Heteroaggregation of multiwalled carbon nanotubes and zinc sulfide nanoparticles. Carbon.
[28] Charbgoo, F., Behmanesh, M., Nikkhah, M., and Kane, E. G. (2017) RNAi mediated gene silencing of ITPA using a targeted nanocarrier: apoptosis induction in SKBR3 cancer cells. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 44, 888-894.
[29] Richard, C., Mignet, N., Largeau, C., Escriou, V., Bessodes, M., and Scheman, D. (2009) Functionalization of single- and multi-walled carbon nanotubes with cationic amphiphiles for plasmid DNA complexation and transfection. Nano Res. 2, 638-647.