Грибные гены: как российские учёные создали светящиеся растения
Российским учёным удалось создать растения, которые ярко светятся в темноте на протяжении всего жизненного цикла. Исследование проводилось на двух видах табака, в гены которых была добавлена ДНК биолюминесцентных грибов. Разработка найдёт применение не только в научных целях, полагают учёные. По прогнозам авторов проекта, продажа светящихся декоративных растений начнётся через два года.
Учёные из Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) при участии коллег из Института науки и технологий Австрии создали генно-модифицированные растения, которые ярко светятся в темноте. Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology. Работа поддержана Российским научным фондом и фондом «Сколково».
В течение последних 30 лет учёные пытались создать светящиеся растения. Для этих целей они использовали уже существующие в природе биолюминесцентные системы животных или бактерий и пытались «привить» люминесцентные свойства представителям растительного мира. Некоторые попытки, такие как использование генов бактерии Agrobacterium tumefaciens, были относительно успешными. Однако создать растения, которые могли бы ярко излучать свет на протяжении всей своей жизни, до сих пор не удавалось — гены бактерий оказалось сложно совместить с генами растений.
Российские учёные из ИБХ РАН под руководством доктора химических наук, руководителя отдела биомолекулярной химии Ильи Ямпольского выбрали в качестве «донора» царство грибов. Они идентифицировали отвечающий за свечение ген гриба Neonotopanus nambi и выяснили, что он представляет собой производную кофейной кислоты — органической молекулы, необходимой растениям для строительства клеточных стенок.
- Молодые светящиеся ростки табака
- © Компания «Планта»
«В природе много светящихся организмов, однако среди царства растений их нет. Полностью расшифрованы гены для двух биолюминесцентных систем — бактерий и грибов. Бактерии очень далеки от растений эволюционно, поэтому мы использовали систему из грибов. Мы её расшифровали и вставили в растения. Грибные гены работают очень хорошо», — отметил в беcеде с RT Илья Ямпольский.
Для создания стабильно и ярко люминесцирующих растений было недостаточно просто перенести несколько выявленных генов из одного организма в другой. Работу по изменению метаболизма растений учёные сравнили с настройкой часового механизма, к которому необходимо было идеально подогнать новые детали — элементы грибной биолюминесценции.
После полной расшифровки механизма свечения гриба учёные приступили к настройке генов растений. В результате последней и самой успешной попытки им удалось создать два генетически модифицированных вида табака, которые излучали стабильную, видимую невооружённым глазом зелёную ауру. Свечение в десять раз превзошло по яркости то, что было получено в результате предыдущего эксперимента того же коллектива.
Как отмечают учёные, мощный механизм люминесценции встроен в гены и не требует химической подпитки извне, при этом устойчивое свечение не мешает растениям нормально развиваться.
- Светящийся табачный куст с цветками
- © Компания «Планта»
Также исследователи подтвердили возможность подобной модификации для других, в том числе декоративных видов растений — петунии, розы и барвинка. Как показали результаты последней работы, свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветов непрерывно на протяжении всего жизненного цикла.
По мнению авторов, благодаря их открытию биологи смогут наблюдать за процессами внутри растений. При этом учёные полагают, что разработка найдёт применение не только в научных целях. Учёные отметили, что свечение растений постоянно меняется, образует необычные узоры и волны на листьях. Особенно яркая люминесценция наблюдается у молодых побегов и цветов.
«Свечение наших растений видно отчётливо уже сейчас. При этом мы ставим перед собой задачу увеличить яркость, освоить декоративные виды, в том числе орхидеи и хризантемы. После этого планируем выйти на рынок», — поделился планами с RT Илья Ямпольский.
Источник
Светящиеся растения: экономия на освещении улиц и стильный ландшафтный дизайн
Собака Баскервилей, своим светящимся в темноте оскалом доведшая до смерти сэра Чарльза Баскервиля и чуть было не уморившая Генри Баскервиля в романе Артура Конан Дойла, была обыкновенной собакой. Светилась она только благодаря злому умыслу и фосфору на морде. Однако живые организмы, самостоятельно светящиеся в темноте, действительно существуют.
Учёные пытаются создать светящиеся растения
Бактерии, медузы, моллюски, планктон, светлячки, скорпионы, грибы (в том числе и привычные опята). Сегодня учёным известно более восьми сот светящихся живых организмов. Большинство из них обитает в морях и океанах. Но вот представителей царства Флоры, обладающих способностью к биолюминесценции, учёные пока не обнаружили. Однако человек не привык ждать милостей от Природы: если она по какой-то причине «не додумалась» сделать светящиеся растения, «венец творения» готов сам взяться за это дело.
«Bioglow» – компания, создавшая концепт светящегося растения
В природе нет светящихся растений, потому что растения не нуждаются в биолюминесценции. В микромире свечение – это побочное явление при пищеварении: нейтрализация активного кислорода ферментами бактерий при расщеплении глюкозы. Светлячки и маленькие кальмары-ватазении используют свет для привлечения партнёров, медузы – в качестве шоковой защиты от тех, кто пытается их съесть.
Светящийся от планктона океан
Также есть охотники, привлекающие своих жертв свечением собственного тела. А некоторые виды глубоководных кораллов, по мнению учёных, способны слабый коротковолновый свет, проникающий в глубину, трансформировать в более яркие вспышки. Это явление используется как фитоподсветка для возможности фотосинтеза симбиотических колоний водорослей, живущих в коралловых зарослях.
Растениям светиться ни к чему. Поэтому потребовалось вмешательство генной инженерии, десятилетия работы и солидные капиталовложения. Хлоропласты растений – полуавтономные пластиды, существующие в симбиозе с растениями. Согласно гипотезе, когда-то они были самостоятельными, как и родственные хлоропластам цианобактерии, способные к свечению. Александр Кричевский (Сент-Луис, США) – специалист в двух областях: изучении явления биолюминесценции морских бактерий и микробиологии растений. У учёного возникла мысль об объединении двух хорошо знакомых ему дисциплин, что он и сделал, создав биотехнологическую компанию «Bioglow, Inc».
Starlight Avatar: воплощение звездного света
Компанией Александра Кричевского был создан концепт светящегося растения – «Starlight Avatar®».
Starlight Avatar — светящееся растение табака. Фото с сайта bioglowtech.com
Свечение Starlight Avatar (растения табака) основано на внедрении в геном растения части гена светлячка – молекулы люциферазы. Чтобы Starlight Avatar светился, необходим катализатор – реакция свечения происходит при окислении люциферазы под действием кислорода в присутствии фермента люциферина. Люциферин содержался в питательной среде, в которой выращивалось растение.
Свечение нового поколения генно-модифицированных растений (слева) в сравнении с Starlight Avatar (справа). Фото с сайта bioglowtech.com
В 2014 году на аукционе компанией Bioglow было продано двадцать экземпляров светящихся Starlight Avatar, растущих в специальных контейнерах. Пока этот свет очень слабый, но лаборатория Александра Кричевского работает над увеличением яркости.
Пока – из области фантастики
В планах Bioglow – создание растений, которые не только смогут украсить ландшафт ночью, но и помогут сэкономить на уличном освещении. Но пока светящиеся растения – это из области фантастики. Starlight Avatar испускает свет, только если его поливать соответствующим раствором.
Российские учёные, работающие над исследованием биолюминесценции и созданием самостоятельно светящихся растений в лаборатории биомолекулярной спектроскопии Института биоорганической химии Российской Академии наук под руководством Ильи Ямпольского, считают, что пока ещё рано планировать клумбы на своих участках с учётом светящихся в темноте роз или пионов и выкорчёвывать живую изгородь, чтобы поменять её на светящуюся.
Они называют биолюминесценцию растений одним из самых амбициозных проектов: «Идеальный вариант, который пока не удался никому, включает в себя расшифровку всего пути биосинтеза люциферина, который может быть многоэтапным процессом с участием большого числа белков. Потом – встраивание в геном другого организма генов, кодирующих все эти белки и люциферазу. На данный момент расшифрован биосинтез только бактериального люциферина, однако эта система тяжело адаптируется к растениям и животным. И реализация такого подхода представляется маловероятной».
Дорожка со светящимся гравием. Фото с сайта passages-ivm.com
Семян светящихся цветов пока ещё купить нельзя (если вы, конечно, не заплатили 40 $ за гипотетическую возможность получить семена генно-модифицированной резуховидки Таля в краудфандинговом проекте GLOWING PLANTS). Но не расстраивайтесь: зато можно приобрести искусственные светящиеся камни – для декора дорожек на своём участке, создания альпийских горок, видимых и в темноте, и даже для отделки фасада дома. Ну, или на крайний случай – хотя бы для декорирования аквариума.
Источник