Modyfikacja genomu pomidora, która zablokowała ekspresję reduktazy 7-dehydrocholesterolu, doprowadziła do akumulacji w nich prowitaminy D, 7-dehydrocholesterolu. Po naświetleniu zmutowanych owoców światłem ultrafioletowym zawartość witaminy D3 w jednym dojrzałym czerwonym pomidorze osiągnęła 20 procent dziennego zapotrzebowania człowieka. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Plants.

Wiele witamin ma prekursory biochemiczne zwane prowitaminami. Prowitaminy przechodzą szereg reakcji biochemicznych, aby stać się kompletnym. Tak więc prekursor witaminy D3, 7-dehydrocholesterol, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego przekształca się w skórze w pełnowartościową witaminę D3. Jednak produkty takiej syntezy zwykle nie wystarczają na pokrycie zapotrzebowania organizmu na witaminę, dlatego dobra dieta jest uważana za główne źródło zarówno prowitaminy, jak i witaminy D.

W tej chwili na świecie jest około miliarda ludzi z niedoborem witaminy D, a według ekspertów liczba ta w przyszłości wzrośnie tylko z powodu ograniczonego dostępu do żywności. Wiadomo, że rośliny nie są uważane za bogate źródło witaminy D3 (w przeciwieństwie do ryb czy mięsa), a grzyby i drożdże mogą syntetyzować jedynie witaminę D2, która ma niższą bioaktywność w porównaniu z witaminą D3.

Wiadomo, że 7-dehydrocholesterol znajduje się w liściach pomidora, ale nie kumuluje się w nich. Służy jako półprodukt w tworzeniu glikoalkaloidów steroidowych, tj. tomatyny w zielonych owocach i eskuleozydy w dojrzałych owocach. Jednak fakt, że istnieje zbędny szlak powstawania tych glikoalkaloidów, w którym biorą udział fitosterol i brasinosteroidy, pozwala postawić hipotezę, że możliwe jest przełączenie syntezy glikoalkaloidów z metabolizmu 7-dehydrocholesterolu (tym samym zwiększenie jego akumulacja) w celu zarezerwowania szlaków biochemicznych.

Cathie Martin z Norwich Research Park i współpracownicy zasugerowali, że jeśli zablokujesz enzym reduktazę 7-dehydrocholesterolu, który jest odpowiedzialny za konwersję 7-dehydrocholesterolu do alfa-tomatyny, to 7-dehydrocholesterol będzie gromadził się w liściach i owocach pomidora. Jednocześnie nie ucierpi na tym biosynteza fitosterolu i brasinosteroidów.

Korzystając z technologii CRISPR-Cas9, naukowcy wyłączyli gen odpowiedzialny za ekspresję 7-dehydrocholesterolowej reduktazy. Spadek aktywności enzymatycznej nie wpłynął na wzrost, rozwój i plon pomidorów. Nie miał również wpływu na metabolizm fitosterolu, o czym świadczą te same poziomy stigmasterolu (końcowego produktu szlaku fitosterolowego w pomidorze) w liściach pomidora niezmodyfikowanego genetycznie (typu dzikiego) i linii edytowanych.

W roślinach typu dzikiego naukowcy odkryli 7-dehydrocholesterol tylko w niedojrzałych zielonych owocach. Spadek aktywności reduktazy 7-dehydrocholesterolu spowodował znaczny wzrost poziomu 7-dehydrocholesterolu zarówno w zielonych owocach, jak i liściach. W dojrzałych owocach mutantów poziom 7-dehydrocholesterolu był niższy niż w zielonych, jednak pod wpływem światła ultrafioletowego powstała ilość witaminy D3 odpowiadająca ilości witaminy w dwóch średniej wielkości owocach.

Obrazowanie desorpcji, jonizacji laserowej wspomaganej matrycą (MALDI) pokazuje, że w zmutowanych pomidorach 7-dehydrocholesterol był rozmieszczony zarówno w miąższu, jak i skórze. Ponadto obrazowanie MALDI wykazało, że poziom alfa-tomatyny w zmutowanych zielonych owocach jest niższy niż w zielonych owocach roślin typu dzikiego. Ta sama sytuacja rozwinęła się z liśćmi zmutowanych linii. Ponadto w dojrzałych owocach roślin zmutowanych wystąpił spadek poziomu glikoalkaloidów. Jednak obniżenie zawartości alfa-tomatyny można uznać za korzystne ze względu na jej toksyczne działanie.

Poziom cholesterolu w zmutowanych owocach i liściach był wyższy niż w grupie kontrolnej. Naukowcy sugerują, że blokada w biosyntezie glikoalkaloidów jest kompensowana przez enzymy szlaku fitosterolowego, które wspomagają produkcję cholesterolu. Nie prowadzi to do istotnych zmian kompensacyjnych w ekspresji genów kodujących enzymy obu szlaków, co potwierdza ilościowa reakcja PCR z odwrotną transkrypcją.

Aby dowiedzieć się, jak dobrze 7-dehydrocholesterol może zostać przekształcony w witaminę D3, naukowcy wystawili zmutowane owoce na działanie światła ultrafioletowego przez godzinę. Większość witaminy powstała w liściach. Na gram suchej masy przypadało 200 mikrogramów witaminy. W zielonych owocach stężenie witaminy osiągnęło 0,3 mikrograma na gram suchej masy i 0,2 mikrograma na gram suchej masy w dojrzałych czerwonych owocach.

Jeśli przyjmiemy, że sucha masa pomidora średniej wielkości wynosi około 8 - 10 gram, to przy poziomach witaminy D3, które powstały w pomidorach zmutowanych, jeden pomidor zielony pokrywa 30 procent dziennego zapotrzebowania na witaminę, a czerwony - 20 procent. Możliwe, że koncentracja witamin w dojrzałych owocach można zwiększyć poprzez dodatkową ekspozycję na promieniowanie ultrafioletowe, na przykład podczas suszenia na słońcu.

Naukowcy uważają zatem, że wprowadzenie takich genetycznie zmodyfikowanych pomidorów do powszechnego spożycia pomoże uporać się z globalnym problemem niedoboru witaminy D. Ponadto wysoka zawartość witaminy w liściach osobników zmutowanych czyni z nich potencjalny nowy surowiec do produkcji suplementów witaminy D.