สล็อตแตกง่าย มีการใช้แพลตฟอร์มการวิเคราะห์ RNA แบบโอเพนซอร์สอย่างประสบความสำเร็จในเซลล์พืชเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นความก้าวหน้าที่สามารถประกาศยุคใหม่ของการวิจัยขั้นพื้นฐานและสนับสนุนความพยายามในการสร้างพืชอาหารและเชื้อเพลิงชีวภาพที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเทคโนโลยีนี้เรียกว่าDrop-seqเป็นวิธีการวัด RNA ที่มีอยู่ในเซลล์แต่ละเซลล์
ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นได้ว่ายีน
ใดถูกแสดงออก และสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับหน้าที่เฉพาะของเซลล์ประเภทต่างๆ อย่างไร พัฒนาขึ้นที่โรงเรียนแพทย์ฮาร์วาร์ดในปี 2558 โปรโตคอลที่ใช้ร่วมกันอย่างอิสระเคยใช้เฉพาะในเซลล์สัตว์เท่านั้น
“นี่เป็นสิ่งสำคัญมากในการทำความเข้าใจชีววิทยาของพืช” Diane Dickel หัวหน้านักวิจัยจากห้องทดลองแห่งชาติ Lawrence Berkeley ของ Department of Energy (Berkeley Lab) กล่าว “เช่นเดียวกับมนุษย์และหนู พืชมีเซลล์และเนื้อเยื่อหลายชนิดอยู่ภายใน แต่การเรียนรู้เกี่ยวกับพืชในระดับเซลล์นั้นยากขึ้นเล็กน้อย เพราะพืชมีผนังเซลล์ไม่เหมือนสัตว์ ซึ่งทำให้ยากต่อการเปิดเซลล์เพื่อการศึกษาทางพันธุกรรม”
สำหรับยีนจำนวนมากในพืช เราแทบไม่มีความเข้าใจในสิ่งที่พวกเขาทำจริงๆ เลย Dickel อธิบาย “แต่ด้วยการรู้ว่าเซลล์หรือระยะการพัฒนาใดที่ยีนนั้นแสดงออก เราสามารถเริ่มรับหน้าที่ของมันได้ ในการศึกษาของเรา เราพบว่า Drop-seq สามารถช่วยเราได้”
“เรายังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่าคุณสามารถใช้เทคโนโลยีเหล่านี้เพื่อทำความเข้าใจว่าพืชตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันในระดับเซลล์ได้อย่างไร ซึ่งเป็นสิ่งที่นักชีววิทยาพืชหลายคนที่ Berkeley Lab สนใจ เพราะความสามารถในการปลูกพืชภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ย่ำแย่ เช่น ความแห้งแล้ง คือ จำเป็นสำหรับการผลิตอาหารและเชื้อเพลิงชีวภาพอย่างต่อเนื่องของเรา” เธอกล่าว
Dickel ผู้ศึกษาเกี่ยวกับจีโนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในแผนก Environmental Genomics and Systems Biology ของ Berkeley Lab ได้ใช้ Drop-seq กับเซลล์สัตว์มาหลายปีแล้ว เป็นแฟนตัวยงของความง่ายในการใช้งานและประสิทธิภาพของแพลตฟอร์ม ในไม่ช้าเธอก็เริ่มพูดคุยกับเพื่อนร่วมงานของเธอที่ทำงานเกี่ยวกับพืชเกี่ยวกับการพยายามใช้กับเซลล์พืช
อย่างไรก็ตาม มีบางคนสงสัยว่าโครงการดังกล่าวจะดำเนินไปอย่างง่ายดาย ก่อนอื่น ในการเรียกใช้เซลล์พืชผ่านการวิเคราะห์ RNA-seq แบบเซลล์เดียว พวกมันต้องได้รับการโปรโตพลาสต์ ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะต้องถูกลอกออกจากผนังเซลล์โดยใช้ค็อกเทลของเอนไซม์ กระบวนการนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายเพราะเซลล์จากสปีชีส์ต่างกันและแม้แต่ส่วนต่าง ๆ ของพืชเดียวกันก็ต้องการเอนไซม์ค็อกเทลที่มีเอกลักษณ์เฉพาะ
ประการที่สอง นักชีววิทยาพืชบางคนแสดงความกังวลว่าเซลล์จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเกินไปโดยการสร้างโปรโตพลาสต์เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงานปกติ และสุดท้าย เซลล์พืชบางชนิดมีขนาดใหญ่เกินกว่าจะใส่ผ่านแพลตฟอร์ม RNA-seq แบบเซลล์เดียวที่มีอยู่ได้ เทคโนโลยีเหล่านี้ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงห้าปีที่ผ่านมา ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินอาร์เอ็นเอภายในเซลล์หลายพันเซลล์ต่อการวิ่งหนึ่งครั้ง วิธีการก่อนหน้านี้สามารถวิเคราะห์เซลล์ได้ครั้งละหลายสิบถึงหลายร้อยเซลล์เท่านั้น
โดยปราศจากความท้าทายเหล่านี้ Dickel และเพื่อนร่วมงานของเธอที่DOE Joint Genome Institute (JGI) ได้ร่วมมือกับนักวิจัยจาก UC Davis ผู้ซึ่งได้พัฒนาเทคนิคการสร้างเนื้อเยื่อรากจาก Arabidopsis thaliana (mouse-ear cress) ซึ่งเป็นสายพันธุ์ของวัชพืชที่มีดอกขนาดเล็ก ที่ทำหน้าที่เป็นสิ่งมีชีวิตจำลองพืช
หลังจากเตรียมตัวอย่างเซลล์ราก Arabidopsis
มากกว่า 12,000 เซลล์แล้ว กลุ่มตัวอย่างรู้สึกตื่นเต้นเมื่อกระบวนการ Drop-seq ดำเนินไปอย่างราบรื่นกว่าที่คาดไว้ ผลลัพธ์ทั้งหมดของพวกเขาได้รับการเผยแพร่ในสัปดาห์นี้ในCell Reports
“เมื่อเราเสนอแนวคิดที่จะทำสิ่งนี้ในพืช ผู้คนจะนำเสนอรายการเหตุผลว่าทำไมมันถึงใช้ไม่ได้ผล” ดิกเคลกล่าว “และเราจะบอกว่า ‘โอเค แต่มาลองดูว่ามันใช้ได้ไหม’ แล้วก็ได้ผลจริงๆ เราแปลกใจมากที่มันตรงไปตรงมาจริงๆ”
ลักษณะโอเพนซอร์สของเทคโนโลยี Drop-seq มีความสำคัญต่อความสำเร็จของโครงการนี้ ตามที่ผู้เขียนร่วม Benjamin Cole นักวิทยาศาสตร์ด้านพันธุศาสตร์พืชที่ JGI กล่าว เนื่องจาก Drop-seq มีราคาไม่แพงและใช้ส่วนประกอบที่ประกอบง่าย มันจึงทำให้นักวิจัยมีวิธีการทดลองที่มีความเสี่ยงต่ำและต้นทุนต่ำ แล้วคลื่นที่น่าสนใจกำลังสร้าง ในช่วงเวลาที่นำไปสู่การตีพิมพ์บทความ Dickel และเพื่อนร่วมงานของเธอเริ่มได้รับคำขอจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่ Berkeley Lab, JGI และอื่นๆ เพื่อขอคำแนะนำในการปรับแพลตฟอร์มสำหรับโครงการอื่นๆ
“เมื่อฉันพูดกับ Diane เกี่ยวกับการลองใช้ Drop-seq ในพืชเป็นครั้งแรก ฉันรู้ถึงศักยภาพอันยิ่งใหญ่ แต่ฉันคิดว่าการแยกเซลล์พืชอย่างรวดเร็วพอจะรับข้อมูลที่เป็นประโยชน์ได้ยาก” กล่าวโดย John Vogel นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของ Genomics เชิงฟังก์ชันพืชที่ เจจีไอ. “ฉันรู้สึกตกใจมากที่เห็นว่ามันใช้งานได้ดีเพียงใดและพวกเขาสามารถเรียนรู้จากการทดลองครั้งแรกได้มากเพียงใด เทคนิคนี้จะเป็นตัวเปลี่ยนเกมสำหรับนักชีววิทยาพืชเพราะช่วยให้เราสามารถสำรวจการแสดงออกของยีนโดยไม่ต้องบดขยี้อวัยวะพืชทั้งหมด และผลลัพธ์จะไม่ถูกรบกวนด้วยสัญญาณจากเซลล์ประเภททั่วไปไม่กี่ชนิด”
ผู้เขียนคาดว่าในที่สุดแพลตฟอร์มและเทคโนโลยี RNA-seq ที่คล้ายคลึงกันจะกลายเป็นกิจวัตรในการตรวจสอบโรงงาน Dickel ตั้งข้อสังเกตว่าอุปสรรคสำคัญคือการพัฒนาวิธีการโปรโตโปรเจ็กต์สำหรับโรงงานที่น่าสนใจของแต่ละโครงการ
“ภารกิจส่วนหนึ่งของ Berkeley Lab คือการทำความเข้าใจให้ดีขึ้นว่าพืชตอบสนองต่อสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร และเราจะนำความเข้าใจนี้ไปประยุกต์ใช้พืชให้เกิดประโยชน์สูงสุดได้อย่างไร” Christine Shulse ผู้เขียนคนแรกซึ่งปัจจุบันเป็นบริษัทในเครือ JGI กล่าว “ในงานนี้ เราได้สร้างแผนที่การแสดงออกของยีนในเซลล์แต่ละประเภทจากพืชชนิดเดียวภายใต้สภาวะแวดล้อมสองอย่าง ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญ” สล็อตแตกง่าย
