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.
история исследований с 1986 года
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.
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
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 [email protected], 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
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
- Май. Китайские ученые также получили светящиеся растения. Выделив отвечающие за биолюминесценцию генетические последовательности из светящихся морских существ, а затем интегрировав их в геном табака.
- 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:
http://gmoobzor.com/stati/kampaniya-kickstarter-po-sozdaniyu-svetyashhegosya-rasteniya-polnostyu-provalilas.html#ixzz55sQyPC40
https://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit/posts/1786250
http://gleaux.us/welcome-to-gleaux/
Страничка команды Эванса на wefunder https://wefunder.com/taxa
Сайт компании Taxa Biotechnologies http://www.taxa.com/
06.02.2018
Бюро переводов «Сван»
Живая биолюминесценция | Журнал Популярная Механика
К растительным настольным лампам, к деревьям-фонарям и лесам, полным живой биолюминесценции, ведет несколько путей. И мы уже начали движение по ним: свет виден не так далеко за горизонтом.
Прежде всего это красиво. Есть тут нечто, задевающее самые глубокие струны души — недаром светящиеся деревья «Аватара» оставляют такое сильное и долгое впечатление. Наконец, это удобно: растения самостоятельно производят энергию, прекрасно адаптированы к уличным условиям и сами восстанавливаются при повреждениях. Недаром стартап Glowing Plant, который несколько лет назад искал 65 тыс. долларов на создание биолюминесцентных растений, стремительно набрал почти полмиллиона. «Такое сочетание простоты, фантастичности и реализуемости встречается редко, — объяснил успех основатель Glowing Plant Энтони Эванс. — 99% людей считают, что такого не бывает. На самом деле это уже в определенной степени факт».
Действительно, в природе существует множество различных биолюминесцентных систем, которые независимо развились у бактерий и грибов, кишечнополостных и членистоногих. Нужно заставить работать такую систему (обычно она включает фермент люциферазу и необходимые для ее работы молекулы люциферина) в растении и при этом не вредить ему. Задача понемногу решается: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Повторить работу для растений — для невзрачной на вид, но прекрасно изученной генетиками резуховидки Таля — и собирался Энтони Эванс.
Путь генов
Уверенности стартапу придавала и другая работа 2010 года. В ней Александр Кричевский описал получение ГМ-растений табака, хлоропласты которых содержат шесть генов «светящегося» lux-оперона фотобактерий. Кричевский основал собственную компанию, которая торгует побегами биолюминесцентной линии с названием, отсылающим к деревьям из того же «Аватара» — Starlight Avatar Celestine. Это единственное светящееся растение, которое можно купить сегодня, хотя оно не отличается ни яркостью, ни даже жизнестойкостью. Обещается, что растения проживут 2−3 месяца и «будут различимо светиться в темноте в течение всего этого срока». Энтони Эванс решил, что у него получится решить эти проблемы.
Специалистам его обещания показались чересчур самонадеянными, однако публике идея понравилась. Начав кампанию по сбору средств на платформе Kickstarter, Эванс пообещал всем вложившимся семена светящейся резуховидки, как только те будут получены. Удачный ход позволил привлечь больше 480 тыс. долларов: денег оказалось достаточно, и стартап проработал несколько лет, прежде чем Эванс признал, что технические проблемы его команда решить не в состоянии. Перенесение целой группы генов в нужные участки хромосом в ядре такого сложного организма остается пока невыполнимой задачей.
Путь наночастиц
Другой подход удалось нащупать в том же 2010 году — когда-нибудь эта дата будет особо отмечена в истории создания светящихся растений. Тогда Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване искали подходы к усовершенствованию светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами — что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Возникающий на их сложной поверхности плазмонный резонанс позволяет на порядки усилить флуоресцентный сигнал, в том числе и слабое естественное свечение хлорофилла, вызванное взаимодействием с фотонами определенной длины волны.
Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение. Идею подхватили по другую сторону океана, в лаборатории Майкла Страно, найдя новый и, возможно, самый многообещающий путь к получению биолюминесцентных растений.
Путь синтеза
Профессор Массачусетского технологического института Майкл Страно уверен в успехе не меньше предшественников. «Наша цель — разовая обработка саженца или взрослого растения, которая будет иметь эффект в течение всей его жизни», — сказал он, комментируя разошедшиеся по интернету снимки светящихся листьев жерухи, родственника кресс-салата. Ведь если путь генов требует новых ГМ-растений, то наночастицы способны проникнуть в уже растущие по бульварам деревья. И если у нас не получается перенести сами гены, то можно вооружиться уже готовым биолюминесцентным комплексом молекул.
Демонстрируя новый подход, Страно и его коллеги вымачивали растения в растворе наночастиц, содержащих люциферазу и необходимые ей вещества — люциферин и кофермент А. По мере высвобождения реагентов в листьях шло окисление: варьируя структуру наночастиц, ученые контролировали темп этого процесса и добились четырех часов непрерывного излучения. Конечно, о деревьях-фонарях речи пока не идет: 10-сантиметровое растение производит менее 0,5 мкВт — на порядки меньше, чем нужно для чтения. Однако ученые полны уверенности, что новый путь приведет их к растениям, ярко светящимся всеми цветами.
В самом деле, в природе существует много биолюминесцентных систем, а не так давно биохимики ИБХ РАН синтезировали и пару искусственных аналогов, реакции которых сопровождаются испусканием излучения разных цветов. И если задача перенесения биолюминесцентного комплекса будет решена, то мы сможем получать живые светильники практически любого нужного оттенка. Сияющий огнями ночной лес затмит картины «Аватара», хотя и настольная лампа из светящихся листьев обязательно заденет самые глубокие струны души.
Максим Дубинный, научный сотрудник лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН
«Создание автономно биолюминесцентного растения или животного — задача намного более сложная, чем разработка ГМ-организмов, по поводу которых сейчас идет увлеченная дискуссия. В нашей команде под руководством Ильи Ямпольского эта тема была возвращена несколько лет назад практически из забытья. Зато теперь у нас почти готовы новые яркие результаты, о которых не стоит говорить подробнее до выхода научных публикаций. Могу сказать только одно: они уже светятся».
Статья «Живые огни» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2018).экономия на освещении улиц и стильный ландшафтный дизайн — Рамблер/новости
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
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
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 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 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 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.
Видео дня. Илон Маск раскрыл планы колонизации Марса
Читайте также
Биолюминесценция в каждый дом. Почему так сложно сделать светящиеся растения
Светящееся растение? Нет, не видели
— Я когда-нибудь получу свое растение? Уже годы прошли. Мне просто любопытно.
— Как мне получить свои 40 долларов обратно?
— Я уже махнул рукой на это дело и считаю, что просто потерял деньги.
Такие комментарии в избытке можно найти на странице проекта Glowing plant в Facebook. В 2013 году группа ученых начала кампанию по сбору денег на создание светящихся растений. Идея авторов проекта звучит довольно просто по нынешним временам: взять гены, которые позволяют бактериям светиться, собрать из них единый фрагмент, вставить нужную последовательность в геном резуховидки и получить светящееся растение. Поначалу все шло отлично — проект собрал почти полмиллиона долларов. Но никаких светящихся растений его подписчики так и не увидели, а авторы переключились на создание мха, пахнущего пачулями.
Растения, рыбы и бактерии
Ученые за последние годы создавали кошек, кроликов и даже овец, которые могут светиться благодаря встроенным в их ДНК генам флуоресцентных белков. Есть даже декоративные рыбки GloFish, которые продаются для домашних аквариумов.
«GloFish — это рыбы, которые светятся благодаря флуоресцентным белкам. В природе такие белки встречаются у многих медуз, некоторых рачков и даже наших с вами далеких родственников, самых примитивных хордовых — ланцетников. Эти белки искусственно внедрены с помощью методов генной инженерии во многие другие организмы: в столь успешно продающихся GloFish, в мышей, а также во многие растения», — рассказал Ямпольский.
Флуоресцентные рыбки GloFish
Флуоресцентные белки также получили широкое распространение в молекулярной биологии, поскольку их можно использовать в качестве метки, которая будет вырабатываться вместе с определенным белком и позволит посмотреть, когда этот белок начинает образовываться в организме и где именно.
«Почему же при этом рыбы продаются, а растений в продаже мы не видим? Ответ кроется в природе флуоресценции: флуоресцентные белки светятся только в ответ на облучение их светом. Как во многих процессах, часть энергии теряется, и на выходе получается свет с другой длиной волны, то есть другого цвета. GloFish светятся не всегда, а только если на них светить ультрафиолетом, вот тогда они и становятся похожи на модниц на дискотеке», — объяснил ученый.
Флуоресцентные мышата
Сложнее, чем кажется
Идея проекта Glowing Plant в том, что растение должно светиться само по себе, а для этого нужен другой механизм — биолюминесценция.
Биолюминесценция — это свечение живых организмов, и встречается она среди тысяч очень различающихся видов, в основном морских. «Для того чтобы применять биолюминесценцию, необходимо знать, как она работает, но для многих организмов на этот вопрос до сих пор нет ответа. В основе природы свечения всегда лежит химическая реакция, а вот химическое строение ее участников — индивидуальная особенность каждого организма. Этим мы и занимаемся. Наша основная задача — узнать, как устроены светящиеся молекулы люциферин и люцифераза и как происходит сама химическая реакция», — рассказал Ямпольский.
Заставить растение или другой организм светиться благодаря механизму биолюминесценции — куда более сложная задача, чем просто встроить в ДНК ген флуоресцентного белка. В относительно простом варианте, который был реализован уже в 1986 году, в ДНК табака встроили ген люциферазы светлячка и поливали растение раствором с люциферином. Получившийся в результате табак действительно светился, что можно увидеть на его фотографии, сделанной с выдержкой в 24 часа.
«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 мне представляется маловероятной», — отметил исследователь.
«Лампа» из генетически модифицированных светящихся бактерий кишечных палочек
«По разным оценкам, существует около 40 различных люциферинов и механизмов биолюминесценции. До недавнего времени было известно лишь семь структур люциферинов. Однако благодаря работе нашего научного коллектива за последние три года были установлены еще три новые структуры — люциферина сибирского почвенного червя вида Fridericia heliota, а также люциферина и люциферазы высших грибов. Мы не только знаем, как устроены эти молекулы, — мы умеем их синтезировать, понимаем, как именно происходят химические реакции свечения, умеем запускать их в пробирке и даже управлять цветом, правда, пока ограниченно. На подходе — структура люциферина многощетинкового червя, в более ранней стадии исследования — еще несколько объектов: моллюски, полихеты, акулы и другие», — рассказал исследователь.
Возможности применения биолюминесценции многообразны. В промышленности — для быстрого определения бактериального загрязнения, в науке — для изучения различных процессов, например при создании лекарственных препаратов. На сегодняшний день оборот биолюминесцентных технологий оценивается в миллиарды долларов в год.
«Задача создания биолюминесцирующего растения — одна из самых амбициозных и интересных с научной точки зрения. Однако мы еще не вышли на завершающий этап и хвастаться пока не будем. Тем не менее мы трудимся в этом направлении и, возможно, однажды сможем подарить миру самостоятельно светящееся растение», — сказал ученый.
Материал помогали готовить коллеги Ильи Ямпольского — Надежда Маркина и Зинаида Осипова.
Екатерина Боровикова
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.
Дарья Спасская
В MIT создали светящиеся растения: экологическое освещение будущего
Исследователи из MIT активно работают над созданием светящихся растений, которые в ближайшем будущем смогут заменить не только настольные светильники, но и уличные фонари.
Представьте себе растение, которое светилось бы как фонарик, позволяя читать в темноте, не тратя ни копейки на электричество. Эти растения можно выращивать всюду для того, чтобы обеспечить мягкое ночное освещение без громоздких фонарей и проводов. Эта прекрасная фантазия может стать реальностью уже в ближайшем будущем: группа исследователей из MIT хочет воплотить ее в жизнь. Но как можно заставить растение светиться?
Биологическое свечение (биолюминесценция) часто встречается в дикой природе. Ученым из Массачусетского технологического института удалось заставить некоторые растения светиться с помощью фермента светлячков, называемого люциферазой. У насекомых она связывается с другим химическим веществом, люциферином, что и вызывает реакцию, излучающую свет. Исследователи выяснили, как имплантировать оба этих компонента в листья растений, что и в самом деле заставило последних испускать тусклое свечение.
Исследователи полагают, что они смогут улучшить эту реакцию до такой степени, что растения будут в состоянии освещать целые комнаты. Они считают, что со временем светящиеся деревья смогут заменить уличные фонари, что позволит сэкономить электроэнергию и деньги. Это не первый подобный проект: несколько лет назад стартап од названием Glowing Plants запустил кампанию на Kickstarter, чтобы создать растения, которые могли бы светиться в темноте, используя ту же реакцию люциферазы. Спустя 4 года и $500 000 собранных долларов ученые выяснили, что на самом деле вывести светящиеся растения намного сложнее, чем это казалось в теории, а потому проект закрылся. Хотя исследователям и удалось заставить растения испускать свет, он был слишком слабым, чтобы его можно было использовать для практических целей.
В MIT методика совершенно иная. Если команда Glowing Plants 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.
Конечно, в настоящее время светящиеся растения не смогли бы составить конкуренцию огромному рынку технологий освещения. Однако в будущем, если проект удастся и у него получится выйти на рынок, многие любители экологически чистых технологий (и просто те, кто не любит платить за свет) смогут оценить светильники-растения по достоинству.