Ученые вставили ДНК грибов в растения и получили листву, которая может очень ярко светиться: исследование

В фильме «Аватар» был показан воображаемый мир пышных биолюминесцентных джунглей. Теперь ученые научились создавать устойчиво светящуюся листву благодаря достижениям генетики. Суть состоит в том, чтобы внедрять ДНК некоторых грибов в растения.

Сила науки

На этой неделе специалисты, работающие в области биотехнологий, объявили о возможности создания растений, которые испускают видимое свечение. Ученые обнаружили, что биолюминесценция, выявленная в некоторых грибах, метаболически сходна с естественными процессами, свойственными растениям.

Вставив ДНК, полученную из гриба, биотехнологи смогли создать листья, которые светятся намного ярче, чем это было возможно ранее. Этот биологический свет может быть использован исследователями для наблюдения за внутренней работой растений.

Свет без электричества

В отличие от других часто встречающихся форм биолюминесценции, таких как светлячки, для поддержания биолюминесценции грибов не требуются уникальные химические реагенты. Соответственно и растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, от этапа рассады до созревания.

Новое открытие также может быть использовано в практических и эстетических целях, прежде всего для создания светящихся цветов и других представителей флоры. И хотя замена уличных фонарей сияющими деревьями может оказаться фантастической, растения, излучающие приятную зеленую ауру, наверняка станут хитом ландшафтного дизайна и садоводства.

Результат международного сотрудничества

Авторами доклада в издании Nature Biotechnology являются 27 ученых под руководством докторов наук Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского. Исследование проводилось благодаря сотрудничеству между международным журналом биологии растений Planta, биотехнологическим стартапом в Москве, Институтом био-органической химии Российской академии наук, Лондонским институтом медицинских наук MRC и Институтом науки и технологий Австрии. Финансовую поддержку оказали «Планта», Фонд «Сколково» и Российский научный фонд.

По мнению авторов, растения могут производить более миллиарда фотонов в минуту. Доктор Кит Вуд, генеральный директор Light Bio, прокомментировал достижение: «30 лет назад я помог создать первое люминесцентное растение, используя ген светлячков. Эти новые создания могут производить гораздо более яркое и более устойчивое свечение, которое полностью воплощено в их генетический код». Именно компания Light Bio планирует коммерциализировать эту новую технологию в декоративных комнатных растениях в партнерстве с Planta.

На грани возможного

Однако проектирование новых биологических особенностей сложнее, чем просто перемещение генетических частей из одного организма в другой. Подобно механизмам в часах, вновь добавленные детали должны метаболически интегрироваться в хосте.

Для большинства организмов условия протекания реакций и вещества, необходимые для биолюминесценции, не всегда известны. До недавнего времени полный список компонентов был доступен только для бактериальной биолюминесценции. Но прошлые попытки создать светящиеся растения с их использованием не увенчались успехом, в основном потому, что бактериальные части обычно не работают должным образом в более сложных организмах.

Около года назад ученые обнаружили компоненты, которые поддерживают биолюминесценцию в грибах. Впервые живой свет развитого многоклеточного организма был полностью определен. В настоящем докладе авторы раскрывают, что механизм биолюминесценции грибов особенно эффективен при переносе его на растения. Это позволило им сделать светящуюся флору в десять раз ярче. Используя обычные фотоаппараты и смартфоны, зеленое освещение регистрировалось от листьев, стеблей, корней и цветов. Кроме того, устойчивое производство света было достигнуто без вреда для здоровья растений.

Как это работает

Хотя грибы не тесно связаны с растениями, их световое излучение сосредоточено на органической молекуле, которая также необходима растениям для создания клеточных стенок. Эта молекула, называемая кофейной кислотой, производит свет через метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в люминесцентный предшественник, который затем окисляется третьим ферментом с образованием фотона. Последний фермент превращает окисленную молекулу обратно в кофеиновую кислоту, чтобы снова начать цикл.

В траве и деревьях кофеиновая кислота является строительным блоком лигнина, который помогает обеспечить механическую прочность стенок клеток. Таким образом, он является частью биомассы лигноцеллюлозы растений, которая считается наиболее распространенным возобновляемым ресурсом на Земле.