какие растения светятся в темноте
Грибные гены: как российские учёные создали светящиеся растения
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.
«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.
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.
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
«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».
Созданы живые растения, устойчиво светящиеся в темноте
Журнал Nature Biotechnology опубликовал статью, в которой описывается создание растений, чье свечение видно невоороуженным глазом.
Проведенное исследование — результат совместной работы резидента Фонда «Сколково» биотехнологического стартапа Планта, Института биоорганической химии РАН, станции искусственного климата Биотрон и Института науки и технологий Австрии. Основную финансовую поддержку оказали компания Планта, «Сколково» и Российский научный фонд.
Ученые заметили, что метаболизм биолюминесцентных грибов и обычных растений имеет много общего. Они успешно перенесли необходимую для свечения ДНК из грибов в растения, создав растения с устойчивым свечением, превосходящим по яркости все предыдущие подходы.
Это открытие найдет широкое применение в науке. Ученые смогут использовать свечение для наблюдения за внутренними процессами в растениях. В отличие от других широко используемых типов биолюминесценции, для поддержания стабильного свечения с помощью нового подхода не требуется добавления химических реагентов. Растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, с момента прорастания до цветения.
Также новое открытие может быть использовано и в эстетических целях, например, в создании светящихся цветов, деревьев и других декоративных растений. И хотя замена уличных фонарей светящимися деревьями пока еще остается в области фантастики, растения, полученные в ходе данной работы, имеют мягкую ауру из света, отражающую происходящие в них жизненные процессы.
Масштаб проделанной работы можно оценить по числу участников. Авторами статьи в Nature Biotechnology являются 27 ученых. Работа велась под руководством Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского, с ключевым вкладом Татьяны Митюшкиной, Александра Мишина, Луизы Гонзалез Сомермейер и Надежды Маркиной.
По данным авторов, растения производят более миллиарда фотонов в минуту. Кейт Вуд, директор компании Лайт Био, комментирует новую работу: «30 лет назад я помог создать первое люминесцентное растение, используя ген светлячков. Новые растения производят гораздо более яркое и устойчивое свечение, механизмы которого полностью встроены в их гены». Лайт Био – новая компания, которая в партнерстве с Плантой планирует вывести на рынок светящиеся в темноте декоративные комнатные растения.
Конечно, создание совершенно новых биологических свойств все-таки сложнее, чем просто перенос нескольких генов из одного организма в другой. Метаболизм растений подобен часовому механизму, и новые детали – элементы грибной биолюминесценции – необходимо идеально подогнать к нему.
Природная биолюминесценция плохо изучена. До недавнего времени, полностью был расшифрован только механизм свечения бактерий. Однако попытки создать стабильно светящиеся растения, используя бактериальную систему, не увенчались успехом.
Чуть более года назад ученые Планты установили все компоненты, необходимые для биолюминесценции в грибах. Впервые был полностью расшифрован механизм свечения в сложном многоклеточном организме. В новой работе авторы продемонстрировали, что люминесценция грибов может быть эффективно перенесена в растения. Это позволило им создать светящиеся растения, которые, как минимум, в десять раз ярче по сравнению с предыдущими работами. Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветов, его видно невооруженным глазом, и можно заснять на обычные фотоаппараты и даже смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться.
Оказалось, что органическая молекула, необходимая для свечения грибов, используется и растениями для строительства клеточных стенок. Чтобы появился свет, эта молекула, называемая кофейной кислотой, должна пройти через метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона. Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл.
В растениях кофейная кислота является строительным блоком лигнина, ответственного за механическую прочность клеточных стенок. Таким образом, она является частью биомассы растений – лигноцеллюлозы, которая является наиболее распространенным возобновляемым ресурсом на Земле. Помимо этого, кофейная кислота также необходима для синтеза пигментов, летучих соединений и антиоксидантов. Отметим, что несмотря на похожие названия, кофейная кислота и кофеин – два совершенно разных химических соединения.
Иными словами, свечение и метаболизм растений тесно связаны, и потому свечение может отражать физиологический статус растений и их реакцию на окружающую среду. Например, растения светятся сильнее, если рядом с ними положить спелую банановую кожуру (которая выделяет растительный гормон этилен). Молодые побеги растений и, в особенности, цветы, светятся ярче. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз.
Описанная в научной статье работа велась на двух видах табака – удобных экспериментальных объектах из-за особенности их генетики и быстрого роста. Однако система биолюминесценции грибов может быть перенесена и в другие растения. 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. В будущем можно ожидать создание еще более ярких растений, в том числе растений с новыми свойствами, такими как изменение яркости или цвета свечения в ответ на людей и окружение. Ученые считают, что благодаря этой живой ауре из света мы можем достичь новых отношений с нашими комнатными растениями, которые бы понравились создателям фильма «Аватар».
Ламповые цветы
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.
Четыре молекулы и четыре фермента, которые катализируют реакции
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.
Пока что табак светится слабым зеленым светом, но ученые уже работают над тем, чтобы сделать такие «лампы» более яркими и разноцветными
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».
Эксперт «ПМ» — Карен Саркисян, руководитель группы синтетической биологии ИБХ РАН, директор «Планты»: «Биолюминесцентная система точно встроена в метаболизм растения, поэтому чутко реагирует на все изменения в нем. Она визуализирует внутренние процессы и поэтому имеет большие перспективы для биологических исследований»
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.
Ламповые цветы: зачем растения излучают свет
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.