W drodze do wieczności. Wieloaspektowa analiza wpływu nanocząstek na właściwości krioprzechowywanego materiału roślinnego

Streszczenie popularnonaukowe „Wszystko czeka na swój czas, czas zaś na nic nie czeka” – mówi dawne przysłowie. Czy możliwe jest, aby w najbliższej przyszłości przestało być ono aktualne? Czy zatrzymanie czasu i procesu starzenia jest osiągalne, przynajmniej dla roślin, i jakie znaczenie mają w tym mikroskopijnej wielkości nanocząstki? Odpowiedzi na te pytania przybliży niniejszy projekt. Ochrona bioróżnorodności, czyli zróżnicowania i zmienności genów, gatunków i ekosystemów, jest jednym z najważniejszych wyzwań współczesnego świata. Na przestrzeni dekad opracowano wiele strategii ochrony różnorodności biologicznej. Za najbardziej przyszłościową z nich uznaje się krioprezerwację, czyli przechowywanie tkanek w kriogenicznej temperaturze ciekłego azotu (-196oC). Jednak aby utrzymanie żywego materiału biologicznego w tak niskiej temperaturze było możliwe, musi on zostać odpowiednio przygotowany. Przydatne w tym mogą okazać się nanocząstki. Nanocząstki to maleńkie, niedostrzegalne gołym okiem ani nawet przy użyciu klasycznego mikroskopu, struktury o wymiarach od 1 do 100 nm (czyli 10-9 m!). W porównaniu z konwencjonalnymi materiałami charakteryzują się wyższą reaktywnością chemiczną i unikatowymi właściwościami fizycznymi, w tym zwiększonym przewodnictwem cieplnym. W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój nanotechnologii. Nanocząstki stosowane są coraz powszechniej w różnych gałęziach przemysłu, medycynie, farmacji, kosmetyce oraz środkach ochrony roślin. Do tej pory nie wykorzystano ich jednak w krioprezerwacji i długotrwałym przechowywaniu roślinnych zasobów genowych. Wciąż brakuje kompleksowych badań na temat wpływu nanocząstek na organizmy żywe. Projekt dotyczy analizy wpływu wybranych typów nanocząstek na właściwości roślin odtworzonych z tkanek przechowywanych w ciekłym azocie. W ten sposób zweryfikowana zostanie przydatność nanomateriałów w kriobiologii. Zbadane będzie wnikanie nanocząstek do komórki, ich wpływ na reakcje stresowe, metabolizm oraz zmiany w materiale genetycznym i wyglądzie roślin. Jest to nowatorskie i pionierskie rozwiązanie, niewykorzystane dotąd w biotechnologii roślin. Materiał badawczy stanowić będą dwie odmiany serduszki okazałej. Ze względu na łatwość uprawy, wyjątkowe piękno i trwałość kwiatów oraz dekoracyjne walory liści, jest to gatunek bardzo popularny na rynku ogrodniczym. Ponadto, dzięki licznym prozdrowotnym substancjom zawartym w roślinie, jest ona również wykorzystywana w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym. Ponieważ istnieje niewiele natywnych (endemicznych) populacji tego gatunku, a jednocześnie prezentuje on dużą wrażliwość na działanie czynników mutagennych, jest to idealny organizm modelowy do badań z zakresu ochrony bioróżnorodności oraz szeroko pojętej stabilności roślin. W trakcie badań nanocząstki będą aplikowane w różnych stężeniach w czasie pierwszego (prekultura) lub drugiego etapu (kapsułkowanie) procedury krioprezerwacji. Ma to na celu przyspieszenie tempa schładzania i odtajania prób. Po okresie przechowywania tkanek w ciekłym azocie oraz regeneracji roślin in vitro określony zostanie wpływ nanocząstek na powodzenie krioprezerwacji. Zaplanowano obrazowanie nanocząstek wnikających do komórek za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM), który pozwala badać strukturę materii na poziomie atomowym (powiększenia rzędu kilku – kilkuanstu tysięcy razy). Przy pomocy markerów molekularnych oraz cytogenetycznych określony zostanie wpływ krioprezerwacji i zastosowanych nanocząstek na zmiany w genomie roślin. Wskaźniki biochemiczne (zawartość barwników, związków fenolowych oraz aktywność wybranych enzymów antyoksydacyjnych w pędach) pozwolą na ocenę stabilności metabolicznej komórek. Ponadto zaplanowano analizę cech morfologicznych i ocenę fenotypu roślin przeniesionych do dalszej uprawy w szklarni. Wyniki uzyskane w projekcie istotnie poszerzą wiedzę na temat wpływu nanocząstek na rośliny oraz będą miały ogromne znaczenie zarówno dla świata nauki, zwłaszcza kriobiologii, jak i praktyki ogrodniczej. Szczególnie ważne będzie zweryfikowanie przydatności nanomateriałów w krioprezerwacji i ochronie bioróżnorodności. Ważnym aspektem naszych badań jest analiza ewentualnych zmian w materiale genetycznym roślin oraz na poziomie syntezy metabolitów, który może zostać wykorzystany przez producentów i hodowców roślin, a także przemysł farmaceutyczny oraz kosmetyczny. Projekt realizowany we współpracy międzynarodowej z Uniwersytetem Przyrodniczym w Pradze.