33 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Светящиеся растения в природе

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.

5 биолюминесцентных живых организмов, которые освещают мир

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные

Природа освещает себя сама

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные биолюминесцентные существа, но, оказывается, это явление удивительно распространено в природе. Не удивительно, что дизайнеры все чаще задумываются о создании бесплатного источника энергии для освещения.

Природа освещает себя сама

В последние годы, ряд ученых добился успеха с внесением генетического материала, отвечающего за биолюминесценцию, в растения, которые обычно не светятся в темноте. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге вывести светящиеся деревья, которыми можно будет заменить уличные фонари, а также комнатные растения, которые заменят бытовые лампы. Это позволит сэкономить огромное количество электрической энергии. Рассмотрим некоторые виды этих увлекательных существ, которые послужили вдохновением для ученых.

Светляки в природной обстановке

В семействе жуков Lampyridae есть около 2000 видов, большинство из которых производят свечение в своем животе. Чаще всего светлячки используют биолюминесценцию в процессе ухаживания за партнером, хотя некоторые экземпляры также используют этот эффект для привлечения добычи. Биология биолюминесцентного свечения светлячков изучалась в течение многих столетий, и ученые теперь имеют детальное понимание этого эффекта — биолюминесценция является результатом химического взаимодействия между люциферином (светящимся веществом), и люциферазой (ферментом, который является катализатором для люциферина.

Диковинный свет червей в пещерах

Arachnocampa является одним из видов, который живет в пещерах и гротах Австралии и Новой Зеландии. Это своеобразное существо вырабатывает шелковые нити подобно паукам, которые затем прикрепляют к потолкам в пещерах. Нити покрыты ядовитой слизью и предназначены для ловли добычи.

У ряда бактерий вида Vibrio есть биолюминесцентные способности, которые могут принимать различные формы. Зачастую на тропических курортах люди видят это свечение, когда волны ночью разбиваются о берег. В этом случае свечение срабатывает при движении волн. Также можно наблюдать свечение при плескании воды в темноте. Иногда эффект возникает в открытом океане, когда светятся сотни миль океанской поверхности. Люди назвали этот эффект «молочное море».

Морской охотник ловит рыбу на удочку

Одной из самых интригующих и необычных рыб, которая использует биолюминесценцию, является морской черт. Эти причудливые существа имеют органы, называемые Illicium, которые торчат из их голов, и функционируют как удочки. Кончики этих органов заселены биолюминесцентными бактериями, которые служат в качестве приманки. Свечение привлекает других рыб в темной воде и рыба по сути сама заплывает в огромные, клыкастые челюсти морского черта.

Свет грибов в лесу

В некоторых темных лесах по всему миру земля светится, когда человек просто идет по тропе. Это является результатом деятельности грибов, которые живут в гниющей древесине на лесной почве. В отличие от большинства других биолюминесцентных организмов, принцип свечения в грибах менее понятен. Некоторые предполагают, что это используется для привлечения насекомых, которые питаются грибами и тем самым помогают распространять споры. Другие считают, что это служит для отпугивания хищников, поскольку свечение считается признаком токсичности многими существами.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Светящиеся растения: генная инженерия или наночастицы?

Интернет пестрит новостями о том, что американские ученые при помощи генной инженерии создали светящиеся растения. Многочисленные сайты, в том числе довольно популярные ресурсы проводят аналогию с фильмом «Аватар» и выдвигают предположения о том, что светящиеся растения скоро будут выступать вместо светильников.

Читать еще:  Пионы желтые сорта

Однако стоит отметить, что широкое распространение таких растений и получения от них достаточно яркого света — все еще в отдаленном будущем.

Краткая история светящихся растений

1986 год

Первый эксперимент по люминесцентным растениям был проведен в 1986 году группой американских ученых и исследователей.

В качестве добавочного (репортерного) гена была использована люцифераза, которая необходима для реакции биолюминесценции у многих живых организмов — например, светлячка Photinus pyralis — и получила растение, которое благодаря добавлению люциферина (субстрата реакции) и АТФ (аденозин трифосфат), продуцирует тусклый свет.

Первая часть эксперимента была направлена на проверку активности гена люциферазы, ответственного за синтез luciferase enzyme, в растительных клетках. Конструкцию комплементарной ДНК (кДНК) вводили в протопласты — свободные от стенок клетки. Daucus carota через электропорацию. В ходе эксперимента были протестированы различные конструкции ДНК, проверенные, чтобы понять, какой из них наиболее эффективен.

Исследователи заметили, что конструкция (pDO432), содержащая весь ген люциферазы, плюс промотор и терминатор nos, была наиболее эффективной для трансформации.

Конструкцию pDO432 вставляли в плазмиду, которая вводилась в протопласты с электропорацией. Через 24 часа ученые проанализировали результаты с помощью люминометра и наблюдали испускание тусклого света, когда они добавляли люциферин в качестве реакционного субстрата. Но без реагента они не могли обнаружить никакой люминесценции.

Кроме того, растение светилось неравномерно. Корни и стебли показали большую интенсивность света, чем листья. Более молодые органы излучали больше света, чем более старые.

Эксперименты, проведенные в 1986 году, были актуальны не только для автолюминесцентных растений, но и для исследования ДНК и экспрессии генов. Люцифераза была использована во многих исследованиях, в качестве гена — маркера.

Эксперимент 1986 года помогло обнаружить активность люциферазы в растениях, а также позволило кодифицировать излучение света как маркер. Однако у него есть два основных недостатка: количество света было слишком низким для обнаружения невооруженным глазом (исследователи использовали люминометр), плюс для получения люминесценции требовалось добавление реагента.

2010 год

В 2009 году вышел фильм «Аватар». Возможно, вдохновившись фантастически красивыми светящимися растениями Пандоры ученые вновь вернулись к попыткам получения светящихся растений. Но скорее всего это произошло за счет снижения стоимости технологий. По данным Национального научно-исследовательского института генома человека затраты на секвенирование ДНК быстро снижаются. В 2001 году цена базовой пары составляла 10 000 $, в 2011 году — всего 0,1 $.

Это означает, что цена на чтение и запись ДНК-последовательностей упала сто тысяч раз за десять лет. Синтетическая биология выиграла от этого: более низкие затраты стали причиной появления многих стартапов, направленных на применение этой новой технологии в таких областях, как биотопливо, здравоохранение, питание и многое другое. Одним из проектов, которые сейчас возможны благодаря биотехнологиям, является разработка светящихся растений.

В 2010 году группа ученых провела эксперимент с целью получения полного автолюминесцентного растения, то есть растения, способного светиться без применения реагентов. Ученые использовали механизм биолюминесценции морских бактерий P. leiognathi . Они вставили опероны, отвечающие за люминисценцию в геном хлоропластов табака Nicotiana tabacum и сумели создать первое автолюминесцентное растение, содержащее бактериальную люциферазу и способное излучать свет, видимый невооруженным глазом. Впервые было доказано, что высшее растение способно воспроизводить сложный ферментативный путь, происходящий из удаленного, неродственного организма ( P. leiognathi — это прокариот).

Исследования, проведенные в 2010 году, достигли важного результата: впервые было получено автолюминесцентное растение, свет которого был замечен невооруженным глазом в темноте. Потенциальные возможности этого эксперимента многочисленны и в значительной степени еще не изучены. Ученые поняли, что механизм, позволяющий растениям табака приобретать биолюминесценцию, типичную для морской бактерии, распределяется между всеми растительными видами. Следовательно, один и тот же процесс может быть применен к другим растениям. Учитывая, что световая эмиссия может быть изменена с использованием разных промоторов и что цвет может быть изменен, а также части растения, на котором выражена люминесценция, ожидается, что эти исследования будут способствовать созданию большого числа новых видов в растениеводстве.

Доктор Александр Кричевский является одним из исследователей, участвовавших в эксперименте на аутолюминесцентном табаке в 2010 году. Следовательно, к достижениям он применил ту же процедуру к Nicotiana alata и другим растениям в пределах одной семьи с целью производства автолюминесцентных растений. Он сотрудничал с предпринимателем Талем Эйдельбергом, и вместе они основали стартап Bioglow , который в 2013 году коммерциализировал первое автолюминесцентное растение под названием Starlight Avatar.

Особенности этого растения сопоставимы с табачным растением, полученным в результате экспериментов. Идеальная температура для его роста составляет около 25 ° C, она предназначена для помещений и средняя продолжительность жизни составляет от двух до трех месяцев. В настоящее время команда исследователей Bioglow Tech, ныне компания Gleaux работает над новым поколением автолюминесцентных растений.

У них есть две основные цели: улучшение светового излучения и разработка новых сортов с различными видами и различного цвета люминесценции.

Нельзя сказать насколько хорошо прошла монетизация проекта. Каждый мог купить светящийся табак Celestine™ на сайте http://gleaux.us/welcome-to-gleaux/ всего за $ 59.99. Срок жизни светящегося растения 2-3 месяца. Возможно, короткий срок жизни и трудности с выживанием генномодифицированных ростков стали причиной того, что светящиеся растения не появились на каждом подоконнике. В официальных пабликах кампании последние записи датируются июлем 2017 года. И сообщают о том, что светящемуся растению не нравятся летние месяцы (слишком тепло). И что компания ищет новые способы отправки растения в горшках.

В данный момент попытки оформить заказ на сайте заканчиваются неудачей.

Все фотографии полученного в 2010 году светящегося растения делаются на высокой выдержке и свет, получаемый от растений достаточно тусклый. Его явно не хватит для чтения или выполнения работ. Celestine ™ может выполнять только декоративную функцию.

2013 год

Светящиеся растения — это организация, финансируемая в Калифорнии в 2013 году Энтони Эвансом и Кайлом Тейлором. Их отправной точкой стал эксперимент 2010 года.

В 2013 был также разработан проект, организованный Кембриджским университетом и названный iGEM. Исследователи ввели гены, ответственные за люминесценцию в светлячке, в бактерии Escherichia coli. Впоследствии они вставили оперон, взятый из морских бактерий под названием Vibrio fischeri, в другую кишечную палочку.

Результаты показали, что света было достаточно, чтобы позволить считывать текст, используя только бактерии в качестве источника света. Самое главное, им удалось получить разные цвета люминесценции.

У Эванса и Тейлора была идея объединить результаты к эксперимента, проведенного над табаком — с проектом iGEM, с целью создания растения светящегося без реагентов и максимального увеличения яркости их света.

В апреле 2013 года они начали онлайн-сбор средств, используя сайт kickstarter , чтобы финансировать производство светящихся растений, и собрали почти полмиллиона долларов. Пять месяцев спустя они основали организацию Glowing plant. Цель состояла в том, чтобы принести пользу окружению, которое росло вокруг них и их продукта, монетизировать продукт, и тем самым получить средства на продолжение ислледования, чтобы еще больше улучшить люминесценцию и разработать новые продукты. Они получили 120 000 долларов, финансируемых Y Conbinator, организацией людей, которые решили создать резервные копии стартапов, в которых они видят потенциал. Люди вкладывали деньги, ожидая получить семена и саженцы светящихся растений. На сайте glowingplant.com (в данный момент сайт не доступен) должен был появиться интернет-магазин, торгующий семенами и саженцами автолюминесцентных растений (Arabidopsis thaliana) и наборы для разработчиков для тех, кто хотел бы попробовать и воспроизвести эксперимент самостоятельно и получить свои собственные автолюминесцентные растения.

Но светящиеся растения, обещанные инвесторам, так и появились на свет. По крайней мере в массовом варианте. Ученым не удалось оправдать все ожидания и достичь результата, который можно было бы монетизировать. Однако им удалось создать платформу для обеспечения более дешевой, быстрой и лучшей генной инженерии растений. Как отмечает Эванс — если кто-то может и хочет продолжить исследования, его компания с радостью поделиться результатами.

«Одна из самых главных причин прекращения разработки, заключается в том, что нам не удалось встроить все шесть генов в растение. Пока неясно, вызвано ли это токсичностью генов или проблемами с правильным встраиванием такой большой конструкции. Мы думаем, что вторая гипотеза более вероятна, поэтому мы надеемся, что кто-то еще будет заинтересован в попытках вставить гены. Если вы заинтересованы в том, чтобы взять ДНК, которую мы создали, и работать над преобразованиями, пожалуйста, свяжитесь с нами antony@glowingplant.com, чтобы мы могли отправить его вам. Мы надеемся, что кто-то еще сможет продолжить исследования, опираясь на то, что мы сделали.»

На сайте проекта Kikstarter. Была размещена новость, что работа над светящимся растением приостановлена. https://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit/posts/1786250

Читать еще:  Способы размножения хризантем

Здесь же можно найти ответы на вопросы инвесторов по поводу возмещения инвестиций или условий получения набора для самостоятельного продолжения работ. Анонсировано новое направление разработок компании — ароматный мох. Предполагалось, что этот мох сможет заменить искусственные освежители воздуха.

Мох намного проще, чем растение Arabidopsis, которое команда использовала для создания светящегося растения. У мха также более простой геном и более короткий жизненный цикл, который сокращает время, необходимое для проведения экспериментов.

Но не все инвесторы, судя по комментариям https://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit/posts/1786250 довольны тем, что вместо светящегося растения они получат ароматный мох. Эванс надеется, что разработка может быть интересна крупным парфюмерным компаниям.

Как признает Эванс: «Было неправильно обещать что-то, когда существуют такие высокие технические риски».

Последние записи на kickstarter датируютя июнем 2017 года. В частности, в них сообщаются, что разработки ароматного мха тоже приостановлены, т.к. имеющийся у компании в производстве мох загрязнен генами устойчивости к гербицидам.

2017 год

  1. Май. Китайские ученые также получили светящиеся растения. Выделив отвечающие за биолюминесценцию генетические последовательности из светящихся морских существ, а затем интегрировав их в геном табака.
  2. Декабрь. Ученым из Массачусетского технологического института удалось заставить некоторые растения светиться.

Но в MIT (команда Майкла Страно.) методика совершенно иная. Если команда Glowing Plants (команда Эванса) опиралась на генетические модификации, то в данном случае ученые хотят просто интегрировать светоносные белки прямо в растения. Согласно их прогнозам, в ближайшее время они смогут увеличить яркость растений и улучшить текущий метод имплантации белков. Сейчас белки попадают в листву после замачивания в растворе, полном наночастиц, под высоким давлением, а также в напылении и специальном окрашивании.

Ванна для введения наночастиц через устьичные щели растений при повышенном давлении.

Цель — заменить при помощи растений настольные светильники и уличные фонари. Что позволит экономить огромное количество электроэнергии.

Светящиеся растения ещё не появились, но у их появления уже есть противники.

После проекта Эванса Kickstarter изменил свою политику, и больше не будет позволять поддерживать финансирование проектов, связанных с генетически модифицированными организмами. Это было связано с давлением компаний по защите природы.

Группа противников синтетической биологии из Канады даже запустила ответную кампанию «kickstopper», призванную остановить этот проект.

И, возможно, не безосновательно. Неконтролируемое появление светящихся растений может привести к серьезным нарушениям экосистемы планеты. Пока сложно предугадать к каким именно, но если немного пофантазировать, то можно представить, что, например, массовое появление светящихся растений в природных условиях может привести к нарушению привычного ритма дня и ночи у обычных животных и растений. Поставить под угрозу вымирания некоторые виды ночных животных. Или вызвать нарушения процесса фотосинтеза у растений. Что в последствии может привести к изменению состава атмосферы Земли.

Даже инвесторам закрывшегося проекта Эванса, чтобы получить от TAXA набор для разработчиков с целью самостоятельного проведения опытов. Нужно получить разрешение от USDA (Министерство сельского хозяйства США. Контролирующая область ГМО растений).

Перевод и изложение по материалам:

Российские генетики вырастили светящийся в темноте табак


Tatiana Mitiouchkina et al. / bioRxiv.org

Российские генетики впервые вырастили растения, которые могут светиться в темноте без добавления каких-либо веществ или облучения ультрафиолетом. Для этого в ростках табака Nicotiana tabacum пришлось экспрессировать четыре фермента из биосинтетического пути светящегося гриба, который та же команда ученых описала ранее. Препринт статьи с фотографиями и видео авторы выложили на bioRxiv.

Биолюминесценция позволяет испускать видимый свет за счет окисления субстрата (люциферина) специальным ферментом люциферазой. Эта система есть у некоторых животных (таких как черви и насекомые) и грибов, но светящихся растений в природе не существует. Год назад мы рассказывали, как исследовательская группа из Института биоорганической химии РАН под руководством Ильи Ямпольского описала путь биосинтеза люциферина у светящегося гриба Neonotopanus nambi и идентифицировала ген, кодирующий грибную люциферазу. Оказалось, что грибной люциферин представляет собой производную кофейной кислоты — обычного метаболита растений.

В новой работе ученые из ИБХ РАН и компании Planta LLC вставили в геном растений табака (одного из любимых объектов генных инженеров) недостающие для биолюминесценции гены гриба — два фермента биосинтеза грибного люциферина (гиспидина) из кофейной кислоты, ген люциферазы и дополнительный фермент для превращения окисленного люциферина обратно в кофейную кислоту. По утверждению генетиков, свечение ГМ-растений видно в темноте невооруженным глазом, при этом никаких дополнительных веществ или условий для биолюминесценции не требуется. Свечение можно зафиксировать на «бытовую» фотокамеру с выдержкой, и даже на камеру хорошего смартфона.


Светящееся растение табака, снятое при умеренном освещении (a) и в темноте (b) на камеру смартфона Huawei P30 Pro с выдержкой 30 сек
Tatiana Mitiouchkina et al / bioRxiv.org


Растения ГМ-табака на разных стадиях развития. Фото сделано на камеру Sony Alpha ILCE-7M3
Tatiana Mitiouchkina et al / bioRxiv.org

Судя по всему, «встроенная» люцифераза в растениях — удобный репортер для мониторинга множества биологических процессов. К примеру, авторы статьи показали, что свечение листьев усиливается при повреждении ткани и при действии растительных гормонов. Кроме того, это просто красиво. Пока что свечение довольно слабое, но теоретически его можно усилить за счет «тюнинга» экспрессии ферментов биосинтетического пути. Ученые также предполагают, что этот биосинтетический путь можно воссоздать и у животных, если дополнить его парой ферментов синтеза кофейной кислоты из аминокислоты тирозина.

Кроме биолюминесценции, живые организмы могут светиться за счет флуоресценции, то есть обратного излучения поглощенного света. Наиболее изученные и используемые в лабораториях флуорофоры — это флуоресцентные белки, например зеленый флуоресцентный белок (GFP) медузы. Чтобы увидеть флуоресценцию, ее надо сначала возбудить, как правило, ультрафиолетовым облучением. При этом для детекции биолюминесценции никакого дополнительного освещения не требуется, что делает описанную систему перспективным инструментом для исследований.

Недавно мы рассказывали также про новый механизм биофлуоресценции, описанный у акул — он реализуется не за счет белков, а за счет малых молекул — продуктов метаболизма триптофана.

Созданы нанобионические светящиеся растения

Рис. 1. Кустики жерухи обыкновенной (Nasturtium officinale) возрастом 3,5 недель, в которые были введены светящиеся наночастицы, освещают книгу («Потерянный рай» Джона Мильтона). Фотография сделана с большой экспозицией (5 минут) и высокой светочувствительностью (ISO 3200), а для того, чтобы на страницы книги попадало больше света, позади растения разместили отражающий экран (лист бумаги). Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Ученые из Массачусетского технологического института продвинулись к воплощению в реальность пока еще фантастической идеи — сделать из растений источник света. Внедрив в листья жерухи обыкновенной (Nasturtium officinale) специальным образом разработанные наночастицы, они придали растению способность в течение почти четырех часов светиться тусклым, но заметным светом. Предполагается, что дальнейшая оптимизация подхода позволит увеличить как яркость свечения, так и его время, и в обозримом будущем растения смогут светиться достаточно ярко.

Группа профессора Массачусетского технологического института Майкла Страно (Michael S. Strano) уже длительное время занимается нанобионическим изменением растений. Ученые внедряют в их клетки разные типы наночастиц, чтобы придать растениям новые свойства. Например, этой группе удалось в три раза повысить эффективность фотосинтеза в клетках резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) и извлеченных из них хлоропластах (J. P. Giraldo et al., 2014. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing). Страно с коллегами также пытаются заставить растения выполнять задачи, которые в настоящее время решаются с применением электрических приборов. В частности, им удалось научить шпинат определять наличие в почве нитросодержащих веществ (в том числе и взрывчатых) и сигнализировать об этом (M. H. Wong et al., 2017. Nitroaromatic detection and infrared communication from wild-type plants using plant nanobionics).

Читать еще:  Подзимний посев цветов многолетних

Еще одна цель, которую поставили перед собой ученые, — создание растений, способных решить проблему освещения. На то, чтобы в наших домах, на рабочих местах и на улицах было светло, расходуется около 20% от всей вырабатываемой электроэнергии. Если хотя бы часть освещения, например уличного, возьмут на себя растения, это даст существенную экономию. До работ Страно в попытках создания светящихся растений использовалась исключительно генетическая модификация: растениям «прививали» либо ген светлячка, отвечающий за выработку этими насекомыми светящихся белковых молекул (D. W. Ow et al., 1986. Transient and Stable Expression of the Firefly Luciferase Gene in Plant Cells and Transgenic Plants), либо состоящий из шести генов оперон, позволяющий светиться бактериям (A. Krichevsky et al., 2010. Autoluminescent Plants). В результате этих экспериментов были созданы растения, способные светиться, однако это свечение было очень малоинтенсивным — всего около 10 7 фотонов в минуту (для сравнения, обычная стоваттная лампочка «выделяет» порядка 10 20 фотонов в секунду).

Свечение насекомых возникает из-за хемилюминесцентной реакции: фермент люцифераза катализирует окисление люциферина кислородом, в результате чего образуется оксилюциферин и выделяется свет. Еще один участник этого механизма — молекула кофермента А — взаимодействует с продуктами окисления, способными понизить (или даже свести на нет) каталитическую активность фермента люциферазы, ингибируя их действие. Ученые также попробовали использовать этот способ, но доставлять хемилюминесцентные реагенты в растения (люциферазу и люциферин растения не вырабатывают) они собирались при помощи специальных наночастиц (рис. 2).

Рис. 2. Механизм хемилюминесценции люциферазы светлячков в присутствии наночастиц. В присутствии аденозинтрифосфата (на схеме — ATP), кислорода (O2) и ионов магния (Mg 2+ ) люциферазы светлячка (Luc, розовые пятна), иммобилизованные на наночастицах из оксида кремния (на схеме наночастицы изображены серыми сферами, агрегат наночастиц и люциферазы обозначен SNP-Luc), катализируют окисление люциферина (LH2, оранжевые точки), который высвобождается из загруженных люциферином наночастиц, изготовленных из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA-LH2). Люциферин «запечатан» в наночастицах с помощью поливинилового спирта (PVA). В результате окисления образуется дегидролюциферил-аденилат (L-AMP) — сильный ингибитор люциферазы. Кофермент А (CoA, синие точки), высвобождаемый из хитозановых наночастиц (CS-CoA, желтая сфера), борется с ингибирующим эффектом дегидролюциферил-аденилата, восстанавливая активность люциферазы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Главная проблема, которая мешает растениям светиться за счет люциферина, заключается в том, что весьма сложно локализовать в той области растения, в которой происходит выработка ряда необходимых для хемилюминесценции субстратов, например аденозинтрифосфата (АТФ), высокую концентрацию люциферина, не вредя при этом самому растению. 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.

Наночастицы, в которых были связаны все три реагента — люцифераза, люциферин и кофермент А, — как раз и были использованы для того, чтобы обезопасить растения от токсичного для них люциферина. Для каждого реагента была подобрана своя наночастица, а все три типа нанопереносчиков состояли из веществ и материалов, которые по стандартам Управления США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) определяются как «в основном безвредные». Благодаря такому подходу реагенты постепенно поступают в растительные клетки, медленно высвобождаются и вступают в реакции, обеспечивающие свечение, не достигая при этом токсичных концентраций и не повреждая растения (рис. 3).

Рис. 3. Меченые наночастицы из оксида кремния (SNP-AF) и из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA-Bodipy) в листьях жерухи обыкновенной, рукколы и шпината. Изображение получено с помощью флуоресцентной конфокальной микроскопии. Красным и сине-зеленым обозначены соответственно мембраны клеток и хлоропласты. Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Для переноса фермента люциферазы исследователи использовали наночастицы диаметром 12 нм из оксида кремния. Для переноса люциферина и кофермента А применялись сферические наночастицы большего размера — 215 и 125 нм, соответственно. Наночастицы для переноса кофермента А были изготовлены из хитозана — производного природного полимера хитина, а наноконтейнеры для люциферина — из биоразлагаемого сополимера молочной и гликолевой кислот. Чтобы вещества, участвующие в процессе хемилюминесценции, попали в листья растений, содержащие их наночастицы суспендировали в воде.

Затем в эту воду погружали каждое растение и в специальном устройстве, нагнетая давление, вводили наночастицы в листья через устьичные щели (рис. 4). Как было установлено, скорость увеличения давления влияет на эффективность накопления наночастиц листьями. Так, при росте давления со скоростью 0,4 атм/с наблюдается максимальное поглощение наночастиц листьями, которое завершается за 3 секунды. Но, как показало изучение листьев под микроскопом, при этом повреждается паренхима листьев. Оказалось, что наиболее успешно наночастицы проникают в листья (не повреждая их мембраны) при скорости нагнетания давления 0,04 атм/с, а скорости нагнетания 0,02 атм/с уже недостаточно для введения наночастиц в листья.

Рис. 4. Ванна для введения наночастиц через устьичные щели растений при повышенном давлении. Росток жерухи обыкновенной полностью погружен в воду, которая подается под давлением. Направление приложения повышенного давления показано желтой стрелкой, а синие стрелки указывают на то, что наночастицы попадают в листья через устьичные щели на обеих сторонах листьев. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Частицы, высвобождающие люциферин и кофермент А, были спроектированы таким образом, чтобы (в первую очередь из-за размера) они могли накапливаться во внеклеточной области мезофилла — внутренней части листа, в то время как меньшие по размеру частицы, играющие роль переносчиков люциферазы, могут накапливаться в клетках, образующих мезофилл (рис. 5). Наночастицы из хитозана и сополимера гликолевой и молочной кислот медленно разрушаются, постепенно высвобождая люциферин и кофермент А. Низкомолекулярные вещества постепенно попадают в клетки растения, люцифераза катализирует дающее свечение окисление люциферина, кофермент А обеспечивает постоянную активность фермента, препятствуя его дезактивации, и листья растения начинают светиться.

Рис. 5. Схематическая иллюстрация поведения наночастиц в листьях. Наночастицы, содержащие люциферазу, люциферин и кофермент А, попадают в листья через устьичные щели с обеих сторон листа. Меньшая по размеру наночастица SNP-Luc может внедриться в мезофилл и цитозоль, в то время как большие по размеру PLGA-LH2 и CS-CoA остаются в мезофилле, высвобождая люциферин (LH2, оранжевые точки) и кофермент А (CoA, синие точки) по мере набухания и биоразложения полимерных наночастиц. Высвобожденные люциферин и кофермент А попадают в цитозоль, где при высокой концентрации АТФ протекает реакция окисления люциферина, одним из результатов которой является люминесценция. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Также было продемонстрировано, что светящееся растение можно «выключить», добавив в воду, в которой стоит росток, ингибитор люциферазы. Это в перспективе позволит не только в нужное время тушить свет от светящихся растений, но и создать организмы, способные самостоятельно прекращать светиться, реагируя на изменения в состоянии окружающей среды — например, «отключаясь» во время наступления светлого времени суток.

Первые эксперименты позволили получить растения, которые могли светиться около 45 минут, после чего люциферин расходовался, и свечение прекращалось. В ходе работы над проектом время свечения было увеличено до 3,5 часов. Свет, который создает росток жерухи обыкновенной высотой 10 см, хотя он и в тысячи раз интенсивнее света от ГМО-растений (в среднем 3×10 10 фотонов в минуту), нельзя назвать интенсивным: при этом свете читать невозможно. Свечение, которым удалось заставить светиться другие растения, изученные в рамках эксперимента, — рукколу и шпинат, — было еще слабее, но эксперименты с ними показали, что подход Страно универсален. Чтобы зафиксировать свечение жерухи с помощью обычного фотоаппарата (рис. 1), потребовалась долгая выдержка при высокой светочувствительности. Тем не менее Страно с коллегами уверен, что дальнейшая работа над нанобионическими растениями позволит увеличить и время свечения растения, и интенсивность света. Для этого надо еще лучше оптимизировать скорость высвобождения участников реакции хемилюминесценции из наноконтейнеров.

Другое направление развития этой технологии — разработка процесса, облегчающего проникновение наночастиц в листья растений. Желательно, чтобы можно было просто опрыскать дерево или кустарник суспензией, содержащей соответствующие наноконтейнеры с реагентами для хемилюминесценции. Но это — перспектива далеко не ближайшего будущего.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector