Юные астраханские учёные создают светящиеся в темноте растения

Юные астраханские учёные создают светящиеся в темноте растения

Ранее ученым уже удавалось создавать светящиеся растения с помощью биолюминесцентных генов, обнаруженных в бактериях. Новая технология, в которой используется ДНК биолюминесцентных грибов, позволяет создать растения, которые светятся в 10 раз ярче, чем «бактериальные».

По словам исследователей, растения способны создавать более миллиарда фотонов в минуту. Предыдущие попытки создать такие организмы включали внедрение в них генов светлячков. Но тогда свечение получилось слабым, так как растение имеет собственный метаболизм и системы, которые в корне отличны от тех, что имеются у светлячков. В новой работе ученые специально подобрали такие гены, которые хорошо встраиваются в метаболизм растений и могут органично функционировать в них.

Как и можно было бы ожидать, интенсивнее всего излучали активно растущие участки — переходная зона между стеблем и корнем, а также молодые побеги и почки, цветы и листья. «Взрослые» ткани понемногу гасли, но люминесценция продолжалась в более молодых участках на протяжении всей жизни экспериментальных растений. Знаменательную работу проделала большая команда российских ученых из Института биоорганической химии имени Шемякина и Овчинникова РАН совместно с коллегами из стартапа Planta LLC. По их словам, им удалось добиться на порядок более яркого и стабильного свечения, нежели у всех предыдущих аналогичных проектов. Для этого команды Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского использовали обычные растения табака — и довольно необычную систему биолюминесценции, лишь недавно обнаруженную у грибов.

Но, по словам авторов, перенести биолюминесцентное свечение от грибов можно и в другие растения. Другие ученые смогли продемонстрировать возможность привить эти свойства растениям других видов, включая барвинок, петунию и розу.

Им пришлось дожидаться триумфа генной инженерии, чтобы получить собственный свет. Первые попытки заставить растения светиться были предприняты в ещё в eighty-е годы, когда растениям табака пересадили ген фермента люциферазы из светлячка. Такие растения светились недолго и лишь пока им давали люциферин. Позже, в 2010 году, появились растения табака, которым вмонтировали «световые» гены бактерий – такие растения светились слабо, свет от них можно было увидеть с помощью специального приспособления. ©Карен Саркисян, Planta LLCПоэтому после того, как ученые модифицировали и перенесли гены «кофейной» биолюминесцентной системы в растения табака, те стали стабильно и без перерывов светиться зеленым светом, с пиком на длинах волн в нанометров.

В научной статье рассказывается, что работа велась на двух видах табака — удобных экспериментальных объектах из-за особенности их генетики и быстрого роста. Как исследователями «Планты», так и в параллельном исследовании, проведенном в Университете Миннесоты, продемонстрирована применимость нового подхода для создания светящихся растений других видов, включая барвинок, петунию и розу. Биолюминесценция позволяет испускать видимый свет за счет окисления субстрата (люциферина) специальным ферментом люциферазой casino x зеркало.

Люциферин опасен для растительных клеток в концентрациях выше 400 мкмоль/л, в то время как для эффективной хемилюминесценции, которая позволит наблюдать свечение невооруженным глазом, необходима концентрация не менее 1000 мкмоль/л. И поскольку кофейная кислота нужна растениям для разных целей, то свечение и растительный метаболизм оказались тесно связаны – по свету можно судить о физиологическом состоянии растений и их реакцию на окружающую среду.

Например, свет становится сильнее, если рядом с растением положить кожуру спелого банана – она выделяет растительный гормон этилен, который растения не могут не чувствовать. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз. При этом есть целые группы организмов, которые светиться не умеют – например, растения.

В будущем можно ожидать создание еще более ярких организмов, в том числе таких, которые могли бы изменять яркость или цвет свечения в ответ на людей и окружение. До недавнего времени полностью был расшифрован только механизм свечения бактерий. Чуть более года назад биологи смогли установить все компоненты, которые необходимы для биолюминесценции в грибах. Они впервые полностью расшифровали механизм свечения в сложном многоклеточном организме. Теперь эти принципы удалось использовать для переноса «светящихся» генов из грибов в растения.

Ученым удалось создать растения трансгенного табака, которые светятся в разы ярче по сравнению с предыдущими опытами. У них светятся листья, стебли, корни и цветки на протяжении всего жизненного цикла. Кроме того, свечение постоянно меняется и способно образовывать различные узоры.

Помимо научной значимости, светящиеся растения могут иметь и практическое применение. В будущем учёные планируют создать биолюминесцентные версии роз, барвинка и прочих декоративных садовых растений, а также научиться регулировать интенсивность их свечения. Вероятно, мысль о замене привычного уличного освещения светящимися растениями кажется слишком фантастической, чтобы стать реальностью, однако излучающие видимую жизненную энергию растения станут приятным дополнением городских ландшафтов. Последняя сенсационная работа ученых — первые полноценно светящиеся растения. Генетикам удалось перенести люминесцентную систему грибов в клетки растений, получив ярко светящийся табак.

Именно на конкурсе iGEM в 2010 году девять студентов из Кембриджского университета решили разработать основанную на люциферазе из светлячков генетическую систему, позволяющую создавать ярко светящиеся организмы. Студенты дополнили ферменты синтеза люциферина ферментом его регенерации, оптимизировали гены для экспрессии в кишечной палочке и провели еще несколько улучшений. В результате они получили штамм бактерий, колбу с которыми можно, например, использовать вместо лампы — такие кишечные палочки дают достаточно света для того, чтобы читать книгу. Это удобные экспериментальные объекты, которые широко используются в генетике благодаря особенностям их генов и быстрого роста.