Светящиеся растения – Созданы нанобионические светящиеся растения • Аркадий Курамшин • Новости науки на «Элементах» • Бионика, Химия

GISMETEO.RU: Инженеры создали растения, которые светятся - События

Представьте, что вместо того, чтобы включать лампу, когда темнеет, вы можете читать при свете растения на вашем столе. Инженеры Массачусетского технологического института сделали шаг к тому, чтобы сделать это реальностью. Вставив специализированные наночастицы в листья жерухи обыкновенной, они заставили растение излучать тусклый свет почти четыре часа. Ученые считают, что с дальнейшей оптимизацией такие растения станут достаточно яркими, чтобы освещать рабочие пространства.

«Наша идея — создать растение, которое будет работать как настольная лампа, лампа, которую не нужно включать в розетку. Свет будет питать энергия обмена веществ самого растения», — говорит Майкл Страно из Массачусетского технологического института (США).

Технологию можно использовать, чтобы обеспечить низкоинтенсивное внутреннее освещение или превратить деревья в уличные огни на автономном питании, говорят исследователи.

Нанобионика растений — новая область исследований, пионером которой стала лаборатория Страно. Ее цель — наделять растения инновационными характеристиками, встраивая в них различные типы микрочастиц. Цель ученых — запрограммировать растения, чтобы они выполняли функции, которые выполняют сейчас электроприборы. Исследователи уже разработали растения, которые могут обнаруживать взрывчатое вещество и сообщать эту информацию на смартфон, а также растения, которые могут мониторить засуху.

Освещение, на счет которого приходится почти 20 % мирового потребления энергии, кажется логичной следующей целью. «Растения могут самовосстанавливаться, у них есть своя собственная энергия? и они уже адаптировались ко внешней среде, — говорит Страно. — Мы думаем, что это идея, чье время пришло. Это идеальная задача для нанобионики растений».

Чтобы создать светящиеся растения, команда использовала люциферазу, фермент, который позволяет светиться светлячкам. Люцифераза действует на молекулу под названием люциферин, заставляя ее излучать свет. Другая молекула под названием кофермент А помогает процессу и удаляет субпродукт реакции, который сдерживает активность люциферазы.

Команда ученых упаковала каждый из этих трех компонентов в разный тип наночастиц-носителей. Наночастицы, которые состоят из материалов, которые Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует как «в целом безопасные», помогает каждому компоненту дойти до нужной части растения. Они также не дают компонентам достигнуть концентрации, токсичной для растений.

Исследователи использовали кремниевые наночастицы примерно 10 нанометров в диаметре, чтобы переносить люциферазу, и немного более крупные по размеру частицы полимеров полилактид-ко-гликолида и хитозана, чтобы переносить люциферин и кофермент А соответственно. Чтобы эти частицы попали в листья растения, исследователи сначала погрузили частицы в раствор, а после подвергли высокому давлению, что позволило частицам войти в листья через крошечные поры под названием стоматы.

Частицы, выделяющие люциферин и коэнзим А, были разработаны так, чтобы они скапливались во внеклеточном пространстве паренхиме, внутреннем слое листа. Мелкие частицы, переносящие люциферазу, входят в клетки, которые составляют паренхиму. Частицы полилактид-ко-гликолида постепенно выделяют люциферин, который потом входит в клетки растения, где люцифераза выполняет химическую реакцию, заставляющую люциферин светиться.

Первые попытки исследователей в начале проекта позволили получить растения, которые светились около 45 минут. Позже им удалось заставить растения светиться 3,5 часа.

Свет, который произвела десятисантиметровый жеруха обыкновенная, — только одна тысячная из объема, который нужен для чтения.

Метод, разработанный лабораторией Стано, может быть использован для любого типа растения. Пока они продемонстрировали его на рукколе, кудрявой капусте и шпинате, помимо жерухи обыкновенной.

Для будущих версий технологии исследователи надеются разработать способ красить или опрыскивать наночастицы на листья растений, что сделает возможным трансформирование деревьев и других крупных растений в источники света.

Исследователи также продемонстрировали, что могут выключить свет, добавив наночастицы, переносящие замедлитель люциферазы. Это позволит создать растения, которые прекращают излучать свет, реагируя на условия окружающей среды, например, солнечный свет.

Созданы нанобионические светящиеся растения • Аркадий Курамшин • Новости науки на «Элементах» • Бионика, Химия

Кустики жерухи обыкновенной (Nasturtium officinale) возрастом 3,5 недель, в которые были введены светящиеся наночастицы

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).

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 1020 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

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 и из сополимера молочной и гликолевой кислотРис. 3. Меченые наночастицы из оксида кремния и из сополимера молочной и гликолевой кислот

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

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

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.

Источник: Seon-Yeong Kwak, Juan Pablo Giraldo, Min Hao Wong, Volodymyr B. Koman, Tedrick Thomas Salim Lew, Jon Ell, Mark C. Weidman, Rosalie M. Sinclair, Markita P. Landry, William A. Tisdale, Michael S. Strano. A Nanobionic Light-Emitting Plant // Nano Letters. 2017. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04369.

Аркадий Курамшин

Биосветильник | Журнал Популярная Механика

Вероятно, совсем скоро люди будут забавляться разными биологическими фокусами точно так же, как они сейчас играют с разными приложениями в своих мобильных гаджетах. Начало положено. Уже в конце этого года можно будет, пользуясь методами генной инженерии, самолично «собрать» у себя дома супертехнологичную игрушку — светящееся в темноте растение.

Первое растение, способное светиться само по себе, было получено в 2010 году. Используя оперон (набор генов) из люминесцирующих бактерий Photobacterium leiognathi, группа ученых из университетов Нью-Йорка и Израиля заставила табак производить собственный люциферин — пигмент, который в присутствии фермента люциферазы окисляется и излучает свет.

До этого для получения эффекта свечения люциферин добавляли в почву или опрыскивали им растение. Ученым конструкции с люциферазой были нужны как маркеры, которые подсвечивали определенные клетки в процессе исследований. Идея о том, что эффект можно использовать для чего-то полезного в быту, появилась у участников студенческого конкурса iGEM. Для своих опытов группа студентов из Кембриджского университета взяла за основу кишечную палочку и получила штамм бактерий, которые дают достаточно света, чтобы читать в темноте: помещаете их в колбу и — вуаля! — светильник готов. А теперь компания Glowing Plant готова наладить серийный выпуск растительных «ночников».

Нынешней осенью тем, кто внес свою лепту в развитие проекта через сайт Kikstarter, компания отправит набор, который позволит самостоятельно поработать с растениями. Достаточно будет замочить присланные семена в растворе, содержащем модифицированные бактерии Agrobacterium tumefaciens, высадить в почву и дождаться, когда они прорастут.

Технология получения «биосветильника» включает несколько этапов:

НГ — значит, новый гаджет: 10 новогодних подарков для технофилов

Фото

1 шаг: Сконструировать ДНК Программный пакет Genome Compiler позволяет выстроить разные последовательности ДНК, взяв за основу lux-оперон, найденный у одной из биолюминесцирующих морских бактерий. В последовательности должны присутствовать промоторы — особые участки ДНК растения, которые содействуют внедрению, а потом и экспрессии чужого гена.

2 шаг: Распечатать ДНК Созданную последовательность закачивают в сеть и отправляют в компанию Cambrian Genomics, которая занимается лазерной распечаткой миллионов цепочек индивидуальных фрагментов синтетической ДНК. Готовый продукт выглядит как белый порошок, который фасуется в пробирки и отсылается заказчику экспресс-почтой.

3 шаг: Вставка новой ДНК Для этого используется Agrobac-terium tumefaciens — почвенная бактерия, доставляющая в организм растения нужный фрагмент ДНК. Приходится перепробовать множество разных комбинаций, пока результат не удовлетворит создателя. Когда будет выбран самый яркий и красивый вариант, его заряжают в генную пушку.

4 шаг: Генная пушка Генная пушка выстреливает микроскопическую золотую или вольфрамовую дробь с покрытием из ДНК прямо в стволовые клетки живого растения. Затем из этих ГМ-стволовых клеток выращивается новое растение, после чего остается только собрать его семена.

5 шаг: Посадить семена, дождаться всходов и любоваться достижениями биотехнологий.

Светящиеся растения как замена для электрических лампочек :: Инфониак

Светящиеся растения как замена для электрических лампочекНевероятные факты

Зачем использовать лампочку в комнате, если можно просто заполнить помещение светящимися растениями? Именно такой вопрос задал себе Энтони Эванс (Antony Evans), глава группы биоинженеров из города Сан Франсиско, штат Калифорния.

Команда ученых запустила кампанию по сбору средств для финансирования проекта, в котором биоинженеры будут использовать светящиеся гены светлячков и бактерии для создания биолюминесцентных растений.

Используя синтетическую биологию и программное обеспечение от Genome Compiler, они уже смогли модифицировать арабидопсис (резуховидка таля - растение семейства Капустные), и на данном этапе занимаются изобретением светящихся роз.


Светящиеся растения как замена для электрических лампочек

На данный момент команда успела собрать $166 000, что на $100 000 больше, чем первоначальная цель.


Светящиеся растения как замена для электрических лампочек

Тот, кто даст $40 для проекта, получит пакет со 50-100 семенами, а кто пожертвует $150 или больше, получит уже выращенное светящееся растение.

Светящиеся животные

Пока ученые из Сан Франсиско занимаются разработкой растений, которые светятся, ученые из Уругвая сумели создать светящуюся в темноте овцу, с помощью белка медузы.


Светящиеся растения как замена для электрических лампочек

Светящиеся овцы родились в октябре в Уругвайском институте репродукции животных (Animal Reproduction Institute of Uruguay). Несмотря на то, что овцы светятся в темноте, когда на них падают лучи ультрафиолета, ученые утверждают, что животные абсолютно здоровы и ведут себя так же, как и обычные овцы.

По словам главы исследовательской группы, Алехо Менчача (Alejo Menchacha), они решили провести эксперимент не в медицинских целях, а просто потому, что им так захотелось.

Светящиеся рыбы


Светящиеся растения как замена для электрических лампочек

В продаже уже есть и рыбы, которые светятся в темноте. Их коммерческое название GloFish, и они появились также благодаря белку медузы.

Изначально эту разновидность рыбок называли Рыба-зебра, но с тех пор ученые смогли использовать генную инженерию, чтобы создать светящихся рыбок всевозможных цветов.

Одни из последних цветов, в которых окрасили рыбок, это синий, фиолетовый, оранжево-желтый и красный.

10 фантастических растений «Аватара», растущие на нашей Земле

Вы думаете, что гигантские деревья, светящиеся грибы, цветы, которые выглядят словно птицы, и растения, наполовину животные принадлежат исключительно кино? На самом деле, многие открытия, которые делают ученые в фильме «Аватар», уже обнаружены на нашей планете. И возможно, если их собрать воедино, получится похожая картинка?

1. Гигантские деревья.

Если вы представляете себе самое большое дерево, которое вы когда-либо видели, а затем умножаете его на 10, вы можете приблизиться к тому, насколько велика огромная секвойя. Эти деревья растут естественным образом в горном массиве Сьерра-Невада в Калифорнии и являются разновидностями семейства кипарисов.
Самое высокое известное дерево в мире – прибрежная красная секвойя Гиперион, примерно достигающая 38-этажного здания. А с точки зрения объема приз получает гигантская секвойя генерал Шерман, имеющая почти 2 тонны живого веса. Это, конечно, не настолько велико как на вымышленной планете из «Аватар», но тем не менее колоссально. К тому же, деревья продолжают расти.

1-mir-pandory-iz-avatara
Фото: мир Аватара

2. Застенчивое растение.

Растение, закрывающее листья после того, как к нему прикоснутся, кажется, может принадлежать только к миру фантастических аватаров. Однако урожаи Пандоры имеют близкий эквивалент и на Земле. Mimosa pudica is (мимоза стыдливая) – ядовитый абориген тропиков. Когда воздух перемещается вокруг растения или что-то контактирует с листьями, они складываются.

2-mir-pandory-iz-avatara
Фото: мир Пандоры

3. Светящиеся грибы.

Хотя в наших лесах еще нет такой мифической биолюминесценции, как в фильме «Аватар», существует множество видов грибов, которые светятся в темноте. Одним из самых впечатляющих является Mycena chlorophos (мицена хлорофос) – японский гриб, который излучает неоновые зеленые свечения, как только наступает темнота. Он делает это, используя тот же механизм, с помощью которого глубоководные существа, такие как Anglerfish (морской дьявол), создают свое собственное световое шоу.

3-mir-pandory-iz-avatara
Фото: реальный мир Аватара

4. Светящиеся водоросли.

Еще одно фантастическое растение, которое светится в темноте, живет в удивительном месте – океан! Тип водорослей под названием Noctiluca scintillans (ночесветка или морской блеск) создает невероятные пейзажи сверкающего берега на Карибском острове Пуэрто-Рико. Формы водорослей настолько малы, что тысячи из них могут содержаться только в одной капле воды. Ночесветка реагирует на любые движения, рокот волн или плеск весел, создавая сильное сияние. А рыбы, как правило, держатся подальше от этих светящихся зон.

4-mir-pandory-iz-avatara
Фото: природа Аватара

5. Цветок, похожий на птицу.

Научное название Strelitzia reginae (стрелиция королевская) на самом деле не оправдывает этого впечатляющего цветка. Его обиходная кличка – райская птица, является гораздо более информативной. Выходец из Южной Африки, достигая взрослого возраста, выглядит как красочная птица. Стрелиция королевская точно бы не казалась неуместной на Пандоре.

5-mir-pandory-iz-avatara
Фото: природа Пандоры

6. Огромные кувшинки.

Возможно, вы видели фотографии ребенка, сидящего на огромной подушке из водяной лилии, и предположили, что это просто еще одна демонстрация чудес фотошопа. А ведь на самом деле – это чудеса тропического леса Амазонки. Огромная кувшинка Victoria amazonica (виктория амазонская) готова принять на свой борт любого, весом не более 50 килограмм и габаритами, вписывающимися в 2,5 метра. Но для идеальной гармонии, нашей Земле не мешало бы обзавестись гигантскими лягушками. Вы «ЗА»?

6-mir-pandory-iz-avatara
Фото: фантастическая природа

7. Быстрорастущий бамбук.

Если вы занимаетесь садоводством и вам знакома ситуация, когда сорняки выползают снова прямо на глазах, то это скорее всего зеленая паранойя. Но … некоторые растения действительно быстро растут. Бамбук Phyllostachys edulis (панцирь черепахи) может расти с точностью до 1 метра в сутки в своей естественной среде обитания в Китае. Кстати, быстрорастущий бамбук часто ошибочно принимают за дерево, хотя в действительности он является древесной травой. Вот если бы такая сорная травка переселилась на наши огороды … Только за 1 час бамбук набирает 4 сантиметра. Разве это не фантастично для этого мира?

7-mir-pandory-iz-avatara
Фото: мир фильма Аватара

8. Жалящее дерево.

Если одного названия Gympie-Gympie (жалящее дерево) не достаточно, чтобы заставить вас убежать, вы можете пересмотреть свое решение, когда услышите, что оно делает. Найденный в Австралии кустарник выглядит совершенно безобидно, но каждая его часть покрыта пушистыми волосками, способными совершить злобный укус. Боль от ожога этой гиганской крапивы может длиться месяцами и привести человека к безумию и самоуничтожению.

8-mir-pandory-iz-avatara
Фото: мир Пандоры

9. Нерушимое дерево.

Большинство людей слышали о Gingko biloba (гинкго билоба) как о модном источнике лекарственного дополнения и как о дереве времен динозавров. Однако самая удивительная история о нем связана с бомбардировкой Хиросимы. После немыслимого взрыва почти все в том районе было полностью разрушено, а растущее в тамошнем саду Сюккэйэн дерево гинкго продолжило процветать и пустило новые ветви. По сей день никто не знает, как это возможно, но это показывает, что у деревьев гингко билоба есть фантастические способности подниматься из пепла.

9-mir-pandory-iz-avatara
Фото: мир фильма Аватар

10. Растение-животное.

Ученые, изучающие Пандору, нашли то, что они назвали зооплантами – растения, имеющие как растительные, так и животные характеристики. Это может показаться надуманным, но наша планета уже является домом для некоторых видов, которые соответствуют этим критериям. Например, Sea anemones (морские анемоны). Возможно, «Аватар» не настолько фантастичный?

10-mir-pandory-iz-avatara
Фото: фантастические растения

Светящиеся растения

Свечение растений в темноте — явление довольно необычное и не многим известное. Но если вы в конце лета после теплого дождя окажетесь ночью в редком смешанном лесу или на поляне со старыми пнями сосны, ели, березы, осины или ольхи, на которых растут опята, то сможете воочию налюбоваться этой сказочной картиной. Присмотритесь внимательнее — и в таинственной тишине среди темных силуэтов перешептывающихся деревьев во мраке летней ночи увидите волшебные «огоньки», светящиеся фосфорическим светом. Попробуйте ударить легким топориком по гнилому пию или отколоть тонкий слой коры: как искры разлетятся в стороны «огоньки»-гнилушки. В домашних условиях такая гнилушка светится недолго.

На обнаженной древесине такой гнилушки нетрудно заметить черные прожилки или разветвленные темно-бурые «шнуры» (ризоморфы), заканчивающиеся тонкими беловатыми нитями — мицелием. Это грибница поселившихся на древесине широко известных грибов — опенка осеннего или летнего. У этих грибов светятся не шляпка и не ножка, а мицелий, оплетающий, как тонкой паутиной, разрушенную древесину. А создается впечатление, что светится весь пень или гнилое дерево.

Находящиеся в почве споры опят не боятся резкой смены температуры. Кроме плодовых тел в грибнице появляются разрастающиеся ризоморфы, которые заражают корни деревьев и через них переходят на стволы, поднимаясь на высоту до 2,5-3 м (рис. 12). Появление грибницы на живом дереве (чаще всего через травмированную кору) приводит к разрушению древесины и его гибели. Эти съедобные грибы не только доставляют удовольствие в виде свежеприготовленной или заготовленной впрок пищи, но и могут причинять вред лесному хозяйству.

Имеются сведения, что в некоторых случаях свечением обладает еще один распространенный в Нечерноземье гриб — масленик настоящий, особенно когда его плодовое тело уже перезрело и начинает разрушаться.

Всего известно около 16 таких видов, причем большинство их принадлежит к всем известному типу шляпных грибов, состоящих из ножки (пенька) и шляпки — к семейству Agaricaceae, к подроду Pleurotus. Среди сумчатых грибов существуют в роде Xylaria. У одних светятся плоды, особенно нижняя поверхность шляпки, у других только вегетативные, служащие для питания гриба органы, так называемый мицелий. Грибы первой категории живут лишь на юге — в южной Европе, и еще больше их в странах жарких и тропических. Как сила, так и окраска испускаемого грибами света различна. Интенсивность фосфоресценции меняется не только с видом гриба, но неодинакова у одного и того же в разное время жизни. У некоторых, напр. у Pl. Gardneri, свет так силен, что при нем легко можно читать.


Водная поверхность чанов и поддоны цветочных горшков в оранжереях и теплицах часто покрываются видимой лишь под микроскопом так называемой золотой водорослью (Chromophyton Rosanoffii), зооспоры которой при направленном освещении дают эффектный золотистый отблеск. Благодаря наличию в каждой зооспоре хроматофора и ее способности ориентироваться отражающей сферической поверхностью в, сторону потока света, наиболее интенсивное отсвечивание происходит при рассматривании зеркала воды под наименьшим острым углом к ней. Если же смотреть на воду сверху перпендикулярно, налет водорослей кажется бесцветным и совершенно не дает блеска. Но этот эффект происходит уже не за счет собственного свечения, а только благодаря улавливанию света и направленному отражению его.

Кажущиеся на первый взгляд безобидными такие растения, как зверобой продырявленный, якорцы наземные, горец почечуйный, гречиха посевная, просо посевное, клевер луговой, люцерна посевная, иногда могут причинить неприятность. Оказывается, что животные светлой масти, «полакомившись» зеленой массой этих растений, могут серьезно заболеть. Но не вследствие отравления какими-либо ядовитыми алкалоидами, а в результате внутреннего солнечного ожога. Дело в том, что у травоядных животных в желудочно-кишечном тракте из хлорофилла зеленых растений вырабатывается сильно флюоресцирующий пигмент — филлоэритрин, обладающий свойством изменять длину волны солнечных лучей и превращать лучи химически неактивные в химически активные. Обычно филлоэритрин, всасываясь из тонких кишок в кровь, попадает с ней в печень, откуда с желчью поступает обратно в кишечник и выделяется с каловыми массами. При поедании же животными зверобоя, горца почечуйного и некоторых других растений возможные нарушения функций желудочно-кишечного тракта и печени приводят к задержке филлоэритрина в организме и поступлению его в общий круг кровообращения. Достигнув непигментированных участков кожи, этот пигмент делает их болезненно чувствительными к прямым солнечным лучам и косвенно вызывает у животных общее заболевание организма.

Животные темной масти такой болезнью обычно не страдают. Не заболевают коровы, овцы, свиньи и при поедании зеленой массы зверобоя, гречихи, клевера, проса в пасмурную погоду или при скармливании этих кормов в помещениях, где животные изолированы от прямого действия солнечного света. Все это дает основание полагать, что пигмент кожи и густой шерстный покров защищают ее от вредного действия ультрафиолетовых лучей.

А вот еще один пример. Около 50 лет тому назад завезли в Нечерноземье с Дальнего Востока интересное растение — борщевик Сосновского. В дикорастущем состоянии в центре России он не встречается. (Не спутайте его с безобидным широко распространенным в Нечерноземье на лугах борщевиком сибирским). Растение с огромными рассеченными листьями, высоким стеблем, завершающимся под стать ему соцветием — зонтиком, болезнями не страдает, никакими насекомыми не повреждается. Заинтересовало это растение ученых своей высокой урожайностью. Все бы хорошо, да есть у этого растения один серьезный порок: в клеточном соке его содержатся особые вещества — фурокумарины, которые при попадании на кожный покров или слизистые оболочки тела человека, подобно зверобою, вызывают при солнечном освещении сильные ожоги, трудно поддающиеся лечению. Достаточно дотронуться обнаженной частью тела до покрытой колючими волосками нижней поверхности его листа, как «щедрая душа» этого растения сразу же одарит вас своим «бальзамом». Правда, при силосовании происходит распад фурокумаринов и корм не опасен ни для животных, ни для человека, но обращение с этим растением при заготовке силоса требует большой осторожности и только механизированной уборки.

Созданы нанобионические светящиеся растения — Новости науки

Ученые из Массачусетского технологического института продвинулись к воплощению в реальность пока еще фантастической идеи — сделать из растений источники 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, ранее 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, способные определять наличие нитросодержащих веществ (в том числе и взрывчатых) в почве и сигнализировать об этом (M. H. Wong et al., 2017. Nitroaromatic detection and infrared communication from wild-type plants using plant nanobionics).

Еще одна цель, которую поставили перед собой ученые, — создание растений, способных решить проблемы освещения. Чтобы в наших домах, на рабочих местах и на улицах и где бы то ни было, было бы светло, расходуется около 20% от всей вырабатываемой людьми электроэнергии. Если хотя бы часть освещения, например, уличного, будут давать растения, то это позволит существенно экономить. 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 107 фотонов в минуту (для сравнения, обычная стоваттная лампочка «выделяет» порядка 1020 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).

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 при 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 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).

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.

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.

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 3×1010 фотонов в минуту), нельзя назвать интенсивным: он недостаточно силен, чтобы читать при свете растения. 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.

Статья опубликована в Nano Letters
Источник: Аркадий Курамшин elementy.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *