Как ученые из Сколково заставили растения излучать свет
Фильм «Аватар» вызвал воображаемый мир пышных биолюминесцентных джунглей (Биолюминесце́нция — способность живых организмов светиться). Теперь популярное увлечение светящейся листвы реализуется благодаря достижениям в генной инженерии.
На этой неделе в Nature Biotechnology ученые объявили о возможности создания растений, которые производят собственное видимое свечение.
*Nature Biotechnology — научный журнал, издаваемый Nature Publishing Group с 1983 года в Великобритании, посвящённый научным и прикладным исследованиям в области биотехнологии
Ученые обнаружили, что биолюминесценция, обнаруженная в некоторых грибах, метаболически похожа на естественные процессы, распространенные среди растений. Вставив ДНК, полученную из гриба, ученые смогли создать растения, которые светятся намного ярче, чем это было возможно ранее.
В отличие от других широко используемых форм биолюминесценции, например, светлячков, для поддержания биолюминесценции грибов не требуются уникальные химические реагенты. Растения, содержащие ДНК грибов, непрерывно светятся на протяжении всего своего жизненного цикла, от произрастания до зрелости.
Новое открытие также можно использовать в практических и эстетических целях, в первую очередь для создания светящихся цветов и других декоративных растений. И хотя замена уличных фонарей светящимися деревьями может оказаться фантастикой, растения создают приятную зеленую ауру, которая исходит от их жизненной энергии.
Доклад в Nature Biotechnology был подготовлен 27 учеными во главе с докторами, включая Карен Саркисян и Илью Ямпольски из центра Сколоково. Исследование проводилось в основном в сотрудничестве с российским биотехнологическим стартапом Planta (находящийся в инновационном центре «Сколково»), Институтом биоорганической химии Российской академии наук, Лондонским институтом медицинских наук (MRC LMS) и Институтом науки и технологий Австрии. Финансовую поддержку оказал Фонд Сколково и Российский научный фонд.
По словам авторов, растения могут производить более миллиарда фотонов в минуту. Доктор Кит Вуд, генеральный директор Light Bio, заявляет, что «тридцать лет назад я помог создать первое люминесцентное растение, используя ген светлячков. Эти новые растения могут производить гораздо более яркое и устойчивое свечение, которое полностью воплощено в их генетическом коде.
*Light Bio — новая компания, которая планирует коммерциализировать эту новую технологию в декоративных комнатных растениях в партнерстве с Planta.
Однако имеются сложности в создание новых биологических видов. Подобно шестерням в часах, вновь добавленные части для источника свечения должны метаболически интегрироваться в «хозяина». Для большинства организмов не все компонентов, необходимые для биолюминесценции, известны. До недавнего времени полный список деталей был доступен только для бактериальной биолюминесценции. Но прошлые попытки создать светящиеся растения из этих частей не увенчались успехом, в основном потому, что бактериальные части обычно не работают должным образом в более сложных организмах.
Немногим более года назад ученые обнаружили в грибах части, поддерживающие биолюминесценцию. Впервые был полностью определен живой свет развитого многоклеточного организма. В настоящем отчете ученые раскрывают, что биолюминесценция грибов особенно хорошо работает на растениях. Это позволило им сделать светящиеся растения, которые как минимум в десять раз ярче.
Хотя грибы не имеют близкого родства с растениями, их световое излучение сосредоточено на органической молекуле, которая также необходима растениям для образования клеточных стенок. Эта молекула, называемая кофейной кислотой, производит свет посредством метаболического цикла с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в люминесцентный источник, который затем окисляется третьим ферментом с образованием фотона. Последний фермент превращает окисленную молекулу обратно в кофейную кислоту, чтобы снова запустить цикл.
*Кофейная кислота — ароматическое органическое соединение, двухатомный фенол, непредельная карбоновая кислота с формулой (HO)2C6H3CH=CHCOOH.
В растениях кофейная кислота является строительным блоком лигнина, который помогает обеспечить механическую прочность клеточных стенок. Таким образом, он является частью лигноцеллюлозной биомассы растений, которая является самым распространенным возобновляемым ресурсом на Земле. Являясь ключевым компонентом метаболизма растений, кофейная кислота также является неотъемлемой частью многих других основных соединений, используемых в красителях, ароматизаторах, антиоксидантах и тому подобных. Несмотря на похожие названия, кофейная кислота не имеет отношения к кофеину.
Связывая производство света с этой ключевой молекулой, свечение, излучаемое растениями, обеспечивает внутренний метаболический индикатор. Он может выявить физиологический статус растений и их реакцию на окружающую среду. Например, свечение резко усиливается, когда рядом находится кожура спелого банана, который выделяет этилен. Молодые части растений имеют тенденцию светиться наиболее ярко.
В этом опубликованном исследовании авторы полагались на растения табака из-за их простой генетики и быстрого роста. Но преимущества биолюминесценции грибов широко применимы к многим другим растениям. Исследования в Планте, а также Арджун Хахар и его коллеги продемонстрировали возможность выращивания других светящихся растений, включая барвинок, петунии и розы. При дальнейшем развитии можно ожидать еще более «ярких» растений. Возможно даже новое применение характеристик, такие как изменение яркости и цвета в зависимости от окружающих объектов.
Благодаря этой живой «ауре» мы можем по-новому взглянуть на наши растения, которые в таком виде мы раньше могли наблюдать лишь в фантастических фильмах.
