При свете табака
В лаборатории биотехнологов из Института биоорганической химии РАН выросли растения табака, которые осветили все вокруг мягким зеленым светом. На очереди — петуния, затем орхидеи или розы. Один из создателей растений, Илья Ямпольский, рассказал N + 1, как скоро живые светильники появятся в продаже, достаточно ли их света для чтения и почему это не просто игрушка, а новый инструмент для научных исследований.
Как это работает?
Сам эффект называется «биолюминесценция» — это нетепловое свечение в живой системе. Светятся светлячки, некоторые глубоководные рыбы, грибы, бактерии. Свечение происходит благодаря окислению молекул люциферинов ферментом люциферазой. Всего известно около 40 биолюминесцентных систем, включающих семь различных типов люцифераз.
Светящихся растений в природе не бывает. Сделать их искусственно пытались и раньше: например, десять лет назад группа под руководством Александра Кричевского встроила бактериальную люминесцентную систему в растения, но сделать их достаточно яркими не получилось: оказалось сложно совместить прокариотическую биохимическую цепочку с эукариотами.
В 2017 году наша группа описала люминесцентную систему грибов. Мы изучили синтез люциферина во вьетнамском светящемся грибе Neonotopanus nambi и выяснили, что грибной люциферин — это 3-гидроксигиспидин, который образуется из кофейной кислоты, обычного метаболита растений, поэтому химический цикл назвали «циклом кофейной кислоты». Через год мы определили все гены, отвечающие за этот процесс, что открыло возможность воспроизвести его в других организмах.
Примерно полгода назад наша группа, в которую вошли ученые из ИБХ РАН, компаний Planta и «Биотрон», впервые получили светящееся растение: вставили в геном табака Nicotiana tabacum гены гриба, которые кодируют ферменты синтеза грибного люциферина (гиспидина) из кофейной кислоты, ген люциферазы и фермент для превращения окисленного люциферина обратно в кофейную кислоту. Растения, которые мы получили, светятся в 10-100 раз ярче «бактериальных». Теперь результаты эксперимента, который поддерживало «Сколково» и РНФ, опубликованы в Nature Biotechnology.
Как ярко?
Разные части растений светятся с разной яркостью. Например, листья выращенных нами растений светились с интенсивностью около 20 миллиардов фотонов в минуту на квадратный сантиметр, а цветы — порядка 30 миллиардов.
В темной комнате такие растения позволяют видеть предметы вокруг, стены. После того, как глаза привыкнут к темноте, при таком свете можно даже разобрать текст.
Постоянно или нет?
Растения светятся все время, непрерывно, но яркость может колебаться. Они начинают светиться ярче, если, например, положить рядом банановую кожуру. Она выделяет этилен, растительный гормон, который, с одной стороны, угнетает рост растений, а с другой — способствует созреванию плодов.
Интенсивность свечения колеблется в зависимости от времени суток, пик яркости приходится примерно на середину ночи. Молодые побеги светятся ярче, старые тусклее. Ярко светятся цветы. А если листу пора умирать, там включается какая-то биохимия, и он вспыхивает перед тем, как погибнуть окончательно.
Очень ярко светятся корни, особенно точки их ветвления. Если отрезать побег, на этом месте начинает вырастать новый, и это место тоже светится очень ярко. Срезанная часть растения будет светиться до тех пор, пока она не засохнет.
А можно заставить светиться деревья? А животных?
Грибная люминесцентная система — единственная, которая может работать во всех эукариотах, не только в растениях. Поэтому принципиальной границы здесь нет, мы можем заставить светиться и другие организмы. С деревьями работать сложнее, поскольку у них значительно больше срок жизни. В случае животных придется модифицировать саму систему, но непреодолимых препятствий тут нет.
Зачем нужны такие растения?
Это совершенно новый инструмент для ученых, он позволит узнать о биохимических процессах в растениях множество вещей, которые раньше были нам совершенно недоступны.
В животных это делают с помощью GFP — зеленого флуоресцентного белка. Ген GFP пришивается к какому-то биологическому процессу, который вы хотите изучить, а дальше вы сидите и ждете, когда он «загорится» под действием ультрафиолета. Засветился — значит белок экспрессируется и помеченная вами система работает.
С растениями этот метод не работает. Растительная ткань очень плотно пигментирована — там и хлорофилл, и каротиноиды, они все флуоресцируют. Если растительную ткань поместить под микроскоп, вы увидите поток флюоресценции, на фоне которого увидеть полезный сигнал почти невозможно.
Поэтому использовались не флуоресцентные репортеры, а люминесцентные — те, которые не «отсвечивают» в ответ на излучение, а светятся сами. Наблюдать за ними, соответственно, надо в темноте. Но поскольку растения сами не вырабатывают люциферин, его надо физически вводить туда, где он должен сработать. Это неудобно и дорого.
А «кофейная» система не требует никаких дополнительных опрыскиваний, поливаний, она работает сама по себе, поскольку встроена в растительный метаболизм. Ее достаточно «привязать» к нужному вам биохическому процессу, и затем просто наблюдать за тем, что происходит. Это, по большому счету, первая удобная репортерная система для растений, это своего рода растительный аналог GFP.
Потенциальных задач для такой системы очень много. Например, можно ее использовать для изучения реакций растений на стрессы — высокую температуру, высокую соленость, болезни, а потом с опорой на эти данные вывести устойчивые сорта. Десятки лабораторий со всего мира уже обратились к нам, запросили гены, семена — мы помогаем, отправляем им, например, готовые плазмиды.
Готового коммерческого продукта у нас нет. Но если к нам обратится компания, которая захочет выращивать такие растения на продажу, то они должны будут купить у нас лицензию.
Законно ли это в России?
Наши растения подпадают под регулирование, касающееся ГМ-организмов — но эксперименты с ГМ-растениями не запрещены, регулирование в основном касается выращивания модифицированных растений в открытом грунте.
Мы собираемся создать растения, которые смогут пройти все необходимые проверки и получить разрешение для продажи на рынке. Рассчитываем, что получение всех необходимых сертификатов и лицензий займет два-три года.
А купить такой росток можно?
Компания Planta не собирается продавать светящийся табак, мы сейчас работаем над получением светящихся разновидностей традиционных декоративных растений. Я не могу назвать их все, но скажу, что идет работа над розами, орхидеями, всего их около дюжины сортов. Первым светящимся растением на рынке будет, скорее всего, петуния, планируем начать продавать их уже через два года.
Мы хотим создать линейку растений и занять свои ниши во всех сегментах декоративных растений — от срезанных цветов до газонной травы и кустарников.
Источник
Ламповые цветы: зачем растения излучают свет
Светящиеся мертвенно-зеленым грибы встречаются не только в сказочных лесах, но и в настоящих тропических. Около сотни видов агариковых способны к люминесценции, хотя для чего она им нужна, остается загадкой. Скорее всего, свет привлекает ночных насекомых, которые разносят споры с плодовых тел, – однако зачастую мерцает и сама грибница, скрытая в земле или древесине.
Так или иначе, биолюминесцентная система появилась у грибов около 160 млн лет назад, одна на всех: отдельные ее детали, выделенные из разных видов, свободно комбинируются друг с другом и продолжают создавать свечение. Несколько лет назад команда Ильи Ямпольского из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН и их коллеги из стартапа «Планта» выяснили, как именно устроена эта «грибная лампочка». Цепочка реакций оказалась нехитрой: всего четыре молекулы и четыре фермента, которые катализируют их реакции.
На первом шаге широко распространенная у грибов кофейная кислота превращается в гиспидин, на втором – в люциферин. С третьим шагом, окислением люциферина, испускается излучение, после чего оксилюциферин снова восстанавливается до кофейной кислоты и все начинается с начала. Вскоре биологи идентифицировали гены, кодирующие ферменты этой люминесцентной системы, и успешно перенесли их в дрожжи, заставив те светиться. Тьма стала понемногу рассеиваться.
Прикрутить лампочку
Давняя мечта о светящихся в темноте живых растениях остается несбыточной, невзирая на все усилия ученых (читайте об этом подробнее в мартовском номере «ПМ» за 2018 год). Так, основанная Александром Кричевским компания некоторое время пыталась торговать линией табака, хлоропласты которой несли люминесцентную систему фотобактерий, однако они не отличались ни яркостью, ни жизнеспособностью, и сегодня проект закрыт. Без особого успеха продолжаются попытки применения в растениях люциферазы, извлеченной из светлячков.
«Самое первое такое растение было получено еще в 1980-х, – рассказал нам биолог из ИБХ РАН и директор «Планты» Карен Саркисян. – Оно производило люциферазу и светилось, но его постоянно требовалось поливать чистым люциферином». Встроить весь комплект генов не только в хромосому, но и в метаболические процессы растительных клеток, да так, чтобы не нарушить в них ничего существенного, до сих пор не получалось.
Поэтому люминесцентная система грибов оказалась настоящей находкой. В ней все начинается и заканчивается кофейной кислотой, которая встречается у всех без исключения растений, поскольку выступает одним из предшественников лигнина, из которого сложены их жесткие клеточные стенки. Эта кислота им не чужеродна, она является естественной и важной частью растительного метаболизма. К ней оставалось лишь «прикрутить лампочку» – что ученые и сделали.
Баланс цветов
Гены четырех ферментов люминесцентной системы грибов ученые перенесли в клетки табака и вырастили из них устойчиво светящиеся растения. Их листья, стебли и лепестки испускают слабую, пульсирующую зеленую ауру на всем протяжении своей жизни, не нуждаясь в дополнительном поливе люциферином. Пока что этого света недостаточно для того, чтобы ГМ-табак можно было назвать полноценной «живой лампочкой». По словам Карена Саркисяна, растение можно сравнить с фосфоресцирующим циферблатом наручных часов, который заметен только в глубокой темноте, «если знать, куда смотреть».
Тем не менее ученые уверены, что доработать растение удастся достаточно быстро. «Во-первых, можно модифицировать грибные ферменты, чтобы повысить их активность и сделать свечение более интенсивным, – объясняет Карен Саркисян. – Кроме того, мы работаем над «перенастройкой» самого растения для того, чтобы оно производило больше кофейной кислоты или меньше ее расходовало для иных целей. Добиться этого можно, например, подавив конкурирующие пути ее использования. Пока мы показали, что «лампочка» светится, теперь осталось сделать ее поярче».
Даже и мертвенно-зеленый цвет, напоминающий о «грибном» происхождении этого света, может быть изменен. Достаточно заменить люциферин грибов (3-гидроксигиспидин) на родственную молекулу, окисление которой приводит к испусканию света другой длины волны. Еще один способ – дополнить систему новой деталью, пятым белком, который способен поглощать зеленые фотоны и излучать более длинноволновые желтые и красные. Такие флуоресцентные белки известны у некоторых кораллов.
Последние трудности
Биологи надеются, что через два-три года светящиеся растения появятся в продаже. Под крылом ИБХ РАН уже организован биотехнологический стартап «Планта», который будет производить светящиеся растения. Помимо этого, зарегистрирована американская компания Light Bio, которая займется их дистрибьюцией на этом огромном рынке. «Скорее всего, поначалу это будут комнатные растения, – говорит Карен Саркисян. – Но впоследствии мы собираемся переходить и к более сложным объектам, таким как трава для газонов или даже деревья для уличного освещения». По его словам, связанные с этим технические задачи вполне решаемы, и главной трудностью остается получение разрешений на массовое производство и продажу трансгенных растений. Так что если в 2023-м мы все же так и не увидим растительных «ламп» в магазинах и на прикроватных столиках, то проблема, скорее всего, на стороне регуляторов, а не ученых.
Сетевое издание TechInsider
Учредитель ООО «Фэшн Пресс»: 119435, г. Москва, Большой Саввинский пер., д. 12, стр. 6, этаж 3, пом. II;
Адрес редакции: 119435, г. Москва, Большой Саввинский пер., д. 12, стр. 6, этаж 3, пом. II;
Главный редактор: Василенок Никита Александрович
Адрес электронной почты редакции: info@techinsider.ru
Номер телефона редакции: +7 (495) 252-09-99
Знак информационной продукции: 16+
Cетевое издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации: серия ЭЛ № ФС 77 — 84123 от 09 ноября 2022 г.
© 2007 — 2023 ООО «Фэшн Пресс»
При размещении материалов на Сайте Пользователь безвозмездно предоставляет ООО «Фэшн Пресс» неисключительные права на использование, воспроизведение, распространение, создание производных произведений, а также на демонстрацию материалов и доведение их до всеобщего сведения.
Источник