Якщо ви коли-небудь уявляли собі прогулянку садом, що нагадує джунглі АватараНаповнений квітами, що м’яко світяться в темряві, ви ближче до того, щоб побачити це реальністю, ніж здається. Сьогодні, завдяки синтетичній біології та генній інженерії, Існують рослини, здатні виробляти власне світло без вилок, батарейок чи фосфоресцентних фарб..
Те, що ще кілька десятиліть тому звучало як наукова фантастика, тепер є комерційним продуктом: Біолюмінесцентна петунія, що продається в Сполучених Штатах і зберігає безперервне зелене світіння протягом усього свого життя.За цим досягненням стоїть захоплива історія, яка поєднує гриби, що світяться в лісі, експерименти 19-го століття, наукові перегони між лабораторіями різних країн та зростаючі соціальні дебати про те, наскільки далеко нам слід зайти в модифікації живих істот «лише тому, що це виглядає гарно».
Що ж таке біолюмінесценція?
Біолюмінесценція, простіше кажучи, здатність деяких організмів виробляти світло шляхом внутрішніх хімічних реакційМи говоримо не про наліпки, які світяться, бо заряджаються світлом, чи лампочки: це світло, що генерується власною біологією живої істоти.
У цій реакції завжди бере участь молекула-«паливо», яка називається люциферина і фермент, який діє як каталізатор, люциферазаЛюцифераза сприяє реакції люциферину з киснем, утворюючи сполуку в дуже високоенергетичному стані, яка при релаксації випромінює фотон: той маленький спалах світла, який ми бачимо як світіння.
Цей механізм, з різними варіаціями, проявляється у багатьох групах живих істот: бактерії, риби, медузи, черви, амфібії, членистоногі, такі як світлячки, а також грибиВже відомо близько 1.500 біолюмінесцентних видів, переважно морських, де нічний океан стає справжнім світним видовищем.
Функція цього світла не завжди однакова. У деяких видів воно служить для залучити партнераяк зі світлячками; в інших випадках його використовують для полювати або приваблювати здобичДеякі організації використовують його як оборони...випускаючи яскраві виділення, які бентежать хижаків. І є дуже цікава гіпотеза: можливо, що в багатьох лініях Біолюмінесценція вперше виникла як спосіб нейтралізації активного киснюфункціонуючи спочатку радше як антиоксидантна система, ніж як природний ліхтар.
Вчені підозрюють, що ця здатність еволюціонувала незалежно десятки разів протягом історії життя. У кожній групі хімічний «трюк» схожий, але деталі люциферину та люциферази змінюються.що значно ускладнює копіювання системи та просте підключення її до іншої організації.
Сяючі гриби та таємниця їхнього світла
Біолюмінесцентні гриби привертали увагу з часів античності. Арістотель описував «палаючі» та світяться гриби, а Пліній Старший говорив про світло, що виходить від грибів, що ростуть на деревиніАле століттями ніхто точно не знав, які молекули беруть участь у цьому грибковому світінні.
Ще у 19 столітті французький фізіолог Рафаель Дюбуа провів ключовий експеримент зі світними жуками роду ПірофорВін розчавив блискучі частини в холодній воді та побачив, що вони світилися деякий час, а потім згасли. Він повторив це з окропом, але світла не побачив. Однак, коли він змішав гарячий екстракт з холодним, Суміш знову загоріласяЗ цього він зробив висновок, що існує термочутливий компонент (фермент, майбутня люцифераза) та інший, стійкий до кипіння (паливо, люциферин). Десятиліття потому цей підхід був відтворений з грибами, хоча головоломка не зовсім складалася докупи.
Сьогодні відомо, що існує близько 130 видів біолюмінесцентних грибівБагато з них проводять значну частину свого життя у вигляді міцелію — мережі ниток, що поширюються крізь гниючу деревину, — і саме міцелій випромінює світло, часто приховане всередині стовбура. Деякі види також демонструють сяючі гриби, перетворюючи ліс на майже надприродне видовище з настанням темряви.
Міколог Денніс Дежарден з Університету штату Сан-Франциско описав кілька видів, що світяться. З 2005 року він працював з хіміком Кассіусом Стевані в Бразилії над удосконаленням експериментів «гаряче/холодне» в стилі Дюбуа. змішування екстрактів з різних видів грибівЇхні результати показали, що всі вони використовували одне й те саме паливо та каталізатор, що вказує на єдине еволюційне походження біолюмінесценції в цій лінії.
Майже одночасно в Росії біохімік Ілля Ямпольський і його група переслідували того самого хімічного фантома. Стевані, який займався цією темою п'ятнадцять років, дізнався, що росіянам вдалося ідентифікувати грибковий люциферин, і, зрозуміло, був досить розчарований. З 2017 року обидві команди почали співпрацювати; Разом вони повністю визначили біолюмінесцентну систему грибів і вони опублікували деталі в журналі PNAS у 2018 році. Грибковий каталізатор був охрещений назвою, настільки ж прямою, наскільки й символічною: Світло.
Ключове відкриття: від кавової кислоти до живого світла
Відсутній елемент у цій головоломці був найіронічнішим: грибкове паливо генерується з молекули під назвою гіспідінякий, у свою чергу, виготовляється з дуже поширеної сполуки, кавова кислотаЦей антиоксидант міститься не лише в грибах, а й у багатьох рослинах. Як жартома зауважив Стевані, він роками шукав його, бачачи щодня крізь вікно в кожній рослині в окрузі.
Грибковий ланцюг функціонує як елегантна петля. Кофеїнова кислота перетворюється на гіспідин, а потім на грибковий люциферин; Це окислюється, випромінюючи фотон, і отриманий продукт переробляється назад у кавову кислоту.Замкнений цикл, який використовує центральну молекулу в метаболізмі як грибів, так і рослин.
У рослинах кавова кислота є фундаментальним структурним компонентом: вона бере участь в утворенні лігнінякий зміцнює клітинні стінки та сприяє величезній біомасі лігноцелюлози планети. Він також бере участь у синтезі пігментів, ароматизаторів та антиоксидантів. Незважаючи на те, що підказує назва, Це не має нічого спільного з кофеїном.
Пов'язавши виробництво світла з цією універсальною молекулою, дослідники усвідомили дещо важливе: Блиск може стати індикатором метаболічного стану рослиниФактично, вони спостерігали, що молодші ділянки світяться яскравіше, квіти особливо світяться, а хвилі або мерехтіння світла утворюються, що відображають внутрішні процеси, які зазвичай залишаються непоміченими.
Цікавий експеримент полягав у тому, щоб помістити стиглу бананову шкірку, яка виділяє етилен, поруч із цими світяться рослинами. Сяйво помітно посилилося.показуючи, як біолюмінесценція може служити візуальним індикатором реакцій на сигнали навколишнього середовища або стресу.
Від грибів до рослин, що світяться самостійно
Зрозумівши механізм у грибів, настав час для найделікатнішої частини: перенести всю цю систему на рослини, не порушуючи їхнього метаболізму та не залишаючи їх «каліками» у виробленні світлаСаме тут і знадобляться синтетична біологія та чимала доза терпіння.
Російський вчений Карен Саркісян, експерт із синтетичної біології, який зараз працює в Імперському коледжі Лондона, керував ідентифікацією генів, необхідних для біолюмінесцентного гриба Neonothopanus nambiЙого команда відібрала гени, що кодували чотири ферменти, що беруть участь у світловому циклі, та упакувала їх для введення в рослини.
Першим випробувальним полігоном були рослини тютюну, класика рослинної біотехнології, оскільки Вони швидко ростуть, їх легко генетично модифікувати та добре переносять «експерименти».Результат був вражаючим: листя, стебла, коріння, бруньки та квіти випромінювали зелене світло, яке можна було зафіксувати звичайними камерами і навіть мобільними телефонами, без потреби у високочутливих наукових камерах.
Цей успіх ґрунтувався на тому, що Саркісян зазвичай підсумовує так: Рослини та гриби «розмовляють схожою біохімічною мовою»Кофеїнова кислота є спільною для обох, і це дозволяє відносно легко «перекласти» метаболічний шлях від одного організму до іншого, за умови, що експресія генів добре налаштована, щоб не дестабілізувати хазяїна.
Завдяки деяким додатковим налаштуванням команді вдалося поширити цей подвиг на інші види: хризантема, тополя, модельна рослина Арабідопсисбарвінок, троянда і, звичайно ж, петуніяУсі вони могли стабільно вбудовувати грибкову систему у свій геном та світити протягом усього життєвого циклу без необхідності додавання зовнішніх хімічних речовин.
Попередні спроби: світлячки, бактерії та невдалі проекти
Ідея створення рослин, що світяться, аж ніяк не виникла у грибів. Ще у 1980-х роках хімік Кіт Вуд Він був частиною команди Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, яка створила Перша біолюмінесцентна рослина, створена за допомогою генної інженерії з використанням гена світлячкаВони опублікували це відкриття у наука І, хоча блиск був дуже слабким, на свій час це було щось справді новаторське.
Проблема в тому Ці рослини не світили самі по собі.Потрібно було зовнішньо застосовувати люциферин світлячків, відносно дорогу та непрактичну молекулу для побутового використання. Без «підживлення» їх цією сполукою система не виробляла видимого світла.
Десятиліття потому дослідники Массачусетського технологічного інституту спробували інший підхід: інкапсуляція ферментів світлячків у наночастинках Їх вводили в тканини рослини шляхом занурення у спеціальний розчин. Це дозволяло рослинам випромінювати світло протягом кількох годин, але це було тимчасово та залежало від зовнішніх обробок, що зовсім не те, чого прагне широка публіка.
Паралельно, у 2010 році команда з Університету Стоуні-Брук використала гени з біолюмінесцентні морські бактерії створити самолюмінесцентну рослину, але інтенсивність була дуже низькою. Незважаючи на це, це заклало основу для проекту, який згодом став дуже відомим: Кампанія Ентоні Еванса на Kickstarter у 2013 році, який обіцяв «блискучі рослини без електрики».
Проєкт, розроблений компанією Taxa Biotechnologies, зібрав майже півмільйона доларів пропонуючи насіння рослин, що світяться, відвідувачам. Це також викликало тривогу щодо потенційного масового випуску генетично модифікованих рослин без чіткого контролю за навколишнім середовищем. Після років роботи команда не досягла своєї мети: гени світлячків та бактерій вони не ефективно інтегрувалися в метаболізм рослині рослини ледве випромінювали світло.
Все це дало важливий урок: Створення рослини з новими ознаками — це не просто «копіювання та вставка» генівЦе як намагатися вставити частини одного годинника в інший: якщо вони не поєднуються із загальним механізмом, годинник перестає працювати або, в кращому випадку, не показує час. Грибковий шлях, з іншого боку, безпосередньо пов'язаний з кавовою кислотою, природною молекулою рослин, і це мало вирішальне значення.
Народжується Light Bio, і на ринок з'являється сяюча петунія.
Оскільки грибкова система тепер освоєна та випробувана на кількох видах, наступний крок був неминучим: вивести на споживчий ринок рослину, що світитьсяЗ цією метою Кіт Вуд став співзасновником біотехнологічної компанії Світло біо разом із Кареном Саркісяном та Іллею Ямполінським, поєднуючи досвід у генній інженерії рослин, біолюмінесценції та комерціалізації.
Першим творінням, готовим для широкої публіки, було петунія (Петунія гібридна) біолюмінесцентний у приміщенніпрізвисько «Світлячок». Вдень його квіти виглядають як звичайна біла петунія, але в темному середовищі вони випромінюють м’яке зелене сяйво, що нагадує світлячка. світло повного місяцяяк описує це сама Саркісян. Воно не світить, як лампа, але його чітко видно неозброєним оком, коли очі звикнуть до темряви.
У вересні 2023 року в Міністерство сільського господарства США (USDA), через Службу інспекції здоров'я тварин і рослин (APHIS), провела регуляторний огляд цієї петунії та дійшла висновку, що Це не становило значної загрози для навколишнього середовищаВони вважали, що це не інвазивний вид, що не очікується, що він витіснятиме місцеву флору, і що ймовірність поширення генів на відповідні дикорослі рослини дуже низька.
Зі схвалення влади, Light Bio випустила свою першу комерційну партію у 2024 році: деякі 50 000 рослин, поширених по всій території Сполучених ШтатівЙого ціна становила близько 29 доларів (приблизно 541 песо або трохи менше 30 євро). Попит був настільки високим, що утворилися черги з понад 10 000 осіб, які хотіли отримати власну копію з підсвічуванням.
У науковій спільноті це було сприйнято як суміш захоплення та здорової заздрості. Біолог рослин Дієго Орсаесз Інституту молекулярної та клітинної біології рослин у Валенсії описав цю віху як «революційна подія»Вперше створено рослину, яка є достатньо яскравою, щоб будь-хто міг насолоджуватися нею у своїй вітальні без спеціального обладнання. Він сам зізнався, що, перебуваючи в Європі, відчував певну заздрість, бачачи, як американські споживачі вже можуть купувати її, тоді як тут діють набагато суворіші правила.
Як біолюмінесцентна петунія працює зсередини
Ключ до петунії Light Bio полягає в тому, що У його геномі інтегровані гени грибка. Neonothopanus nambi необхідний для завершення циклу кавової кислотиРослина виробляє ферменти, які перетворюють цю сполуку на грибковий люциферин, генерують світло, окислюючи його, а потім переробляють продукт назад у кавову кислоту. Все це відбувається 24 години на добу, поки рослина жива.
На відміну від інших організмів, модифікованих для світіння, петунія не потребує спеціальних добавок: Немає потреби «підживлювати» його рідкісними речовинами чи освітлювати ультрафіолетовим світлом ані використовувати його ростова лампаЙому просто потрібне сонячне світло для фотосинтезу, а також нормальний полив та догляд. Чим краща рослина — чим здоровіша та енергійніша — тим інтенсивнішим буде її світіння, хоча завжди в межах того м’якого діапазону, який не заважає сну.
Представники Light Bio наполягають на тому, що рослина не має жодних ознак стресу чи проблем зі здоров'ям, спричинених системою освітлення. Випробування на тютюні та інших видах показали, що Виробництво світла не «краде» ресурси катастрофічно.Іншими словами, це не рослини, приречені жити половинчастим життям лише через примху, щоб вони сяяли.
Крім того, компанія вирішила не обмежувати розмноження петуній клієнтами. Хоча вони мають патенти на цю технологію, вони не планують перешкоджати людям намагатися брати живці чи насіння.Їхня стратегія полягає в розробці нових, ще більш вражаючих сортів та додаткових застосувань, а не в блокуванні нормального життєвого циклу рослини.
Практичне застосування та використання в сільському господарстві
Хоча зовні його основне використання є суто декоративним —мати світяться квіткові горщики на тумбочці або на терасі—, Біолюмінесцентні рослини мають величезний потенціал як інструмент сільськогосподарських досліджень.
Оскільки світло безпосередньо пов'язане з такою центральною молекулою, як кавова кислота, воно може функціонувати як показник фізіологічного стану рослиниНа практиці можна створити сорти, яскравість яких збільшується або колір змінюється, наприклад, коли рослина страждає від нестачі води, атаки патогенів, сольового стресу або пошкодження холодом.
Щось подібне вже було зроблено в інших контекстах: у лабораторних експериментах, Біолюмінесцентні гени пов'язані з генами, що беруть участь у реакції проти мікроорганізмів.Таким чином, ділянки рослини, які активують її захисну систему, починають світитися, візуально показуючи, які тканини реагують на інфекцію.
Якби цю ідею застосували до сільського господарства, у нас могли б бути культури, які «видають» себе, запалюючись задовго до того, як фермер побачить будь-які видимі симптоми. Це сприяло б точніше використання фунгіцидів, добрив або зрошеннязменшення витрат та впливу на навколишнє середовище. Це один із напрямків дій, який експерти вважають таким, що має найбільше майбутнє, за умови, що його підтримає законодавство.
Сама технологія грибкової біолюмінесценції також досліджується як система Маркування в біомедицині та біотехнологіїоскільки він пропонує автономне, безперервне та добре інтегроване виробництво світла в метаболізм, без необхідності введення екзогенного люциферину, як це відбувається зі світлячками.
Регулювання, ризики та європейська перспектива
Поява на ринку США сяючої петунії знову розпалила вічну дискусію про... генетично модифіковані організми (ГМО)У Сполучених Штатах, де значна частина промислового сільського господарства протягом десятиліть базувалася на генетично модифікованих культурах, регуляторний контекст для цього типу декоративної продукції є відносно гнучким.
В Європі ж ситуація зовсім інша. Євросоюз Він має дуже детальну правову базу для регулювання вирощування та збуту генетично модифіковані рослиниБудь-який новий сорт повинен пройти комплексну оцінку ризику для здоров'я людини та тварин, а також для навколишнього середовища, з особливим акцентом на потенціал інвазії, впливу на місцеві види або створення нових екологічних проблем.
Крім того, на Старому континенті існує багато занепокоєнь щодо продовольча безпека, вплив на навколишнє середовище та права інтелектуальної власностіХоча технологія редагування генів, включаючи такі інструменти, як CRISPR, відкриває багато можливостей для вирощування більш стійких, поживних або екологічно чистих культур, громадська думка залишається дуже недовірливою до всього, що звучить як «генетично модифіковане».
У конкретному випадку біолюмінесцентної петунії вчені наполягають на тому, що Це не інвазивний вид, він не є рідним для Північної Америки та не вважається загрозою для екосистем.Декоративні петунії, що заповнюють квіткові ящики та заправні станції по всьому світу, є гібридами, створеними з таких видів, як Петунія пазушнаі вони не показали, що поводяться як агресивні бур'яни.
Тим не менш, певна обережність залишається: перш ніж дозволити щось подібне в Європі, необхідно ретельно оцінити не лише екологічний ризик, а й Яке повідомлення надсилає громадськості маркетинг організмів, модифікованих виключно з естетичних міркувань?Дехто стверджує, що применшення значення генетичної модифікації може перешкодити серйозній дискусії про її справді необхідне використання, таке як покращення основних сільськогосподарських культур або боротьба зі шкідниками.
Рослини, що світяться, конденсують в одному горщику все, що стоїть на кону в сучасній біотехнології: Поєднання щирого благоговіння перед природою, людської здатності переписувати код життя та відповідальності вирішувати, які історії ми хочемо, щоб ці перепрограмовані гени розповідали..
Між тьмяним світлом петунії на тумбочці біля ліжка та можливістю появи дерев, що освітлюють вулиці, або посівів, що попереджають про свої проблеми своїм світінням, майбутнє штучно створених біолюмінесцентних видів, здається, лише починається.
