Петуния вместо лампы: как растения научили излучать свет

Если кто-то мечтал жить в мире Пандоры из «Аватара», где деревья, цветы и даже животные светятся в темноте, то достижения российских ученых уже приблизили воплощение этой мечты. Разработанная нашими специалистами в сотрудничестве с коллегами из Австрии технология переноса генов биолюминесценции из грибов в разные виды растений впервые появилась на рынке. Стартап из США совместно с российскими авторами метода получил светящиеся в темноте петунии и уже предлагает любителям комнатных растений и садоводам купить их.

Что такое биолюминесценция 

Биолюминесценция — это способность живых организмов самостоятельно светиться, не требующая предварительного попадания на них света. Встречается у бактерий, грибов и некоторых животных (чаще у насекомых, водных обитателей и червей). Известно, что специальный пигмент люциферин окисляется под действием кислорода и катализатора фермента люциферазы — создает продукт окисления в возбужденном состоянии, который, разряжаясь, излучает видимый фотон света.

От грибов к табаку

Биолюминесценцию изучают уже десятки лет, пытаясь разгадать «формулу света», то есть выявить все компоненты реакции, включая ферменты, изучить их состав, структуру, гены, которые их кодируют, и синтезировать их. С этой задачей справилась команда из 27 ученых — российские специалисты из московского биотехнологического стартапа «Планта», Института биоорганической химии РАН (ИБХ), станции искусственного климата «Биотрон» и их коллега из Института науки и технологий Австрии.

По словам исследователей, до них «всю биохимическую работу проделали» красноярские ученые из Института биофизики СО РАН, которые идентифицировали и выделили вещества-участники реакции свечения у биолюминесцентных грибов и червей. Затем присоединившейся к их работе команде удалось разобраться со структурой, с нуля синтезировать их, выявить ферменты свечения и кодирующие их гены у грибов. Позже эти гены впервые смогли перенести в другой организм — табак, и «заставить их там работать», создав таким образом первое стабильно светящееся растение. Это открытие в 2020 году мировые СМИ окрестили «растениями из Аватара».

«Могло ничего не получиться? Могло — потому что гены из одних организмов не обязаны работать в других. Они могли не захотеть работать в растениях — по самым разным причинам, потому что растения не грибы», — объясняет Илья Ямпольский, руководитель работы, замдиректора ИБХ РАН, грантополучатель Российского научного фонда.

Но почему у команды получилось? Ученые выяснили, что один из компонентов реакции свечения у грибов — кофейная кислота, есть и у растений, которым она необходима для строительства клеток и других метаболических процессов. Поэтому, когда гены грибов, которые кодируют ферменты, перенесли в табак, они запустили цикл превращения кофейной кислоты: сначала в более сложные молекулы — продукты окисления, которые испускают фотоны света, а затем «разряжаются» обратно в кофейную кислоту, и так по кругу. Таким образом растение естественным образом светится на протяжении всей своей жизни без дополнительных веществ.

Светятся даже корни

Полученные растения уже тогда производили более миллиарда фотонов в минуту, свечение было видно невооруженным взглядом. При этом светилось всё: стебли, листья, цветы и даже корни. Табак был только первым примером, затем последовали работы с розами, орхидеями и петуньями.

И вот спустя четыре года американская компания в партнерстве с российскими специалистами получила декоративные, светящиеся в темноте петунии Firefly Petunias. Соавторами новой научной работы выступили зарубежные коллеги российских биологов из Imperial College London и компаний Promega и Light Bio

Министерства сельского хозяйства США проверило биолюминесцентные петунии на безопасность и разрешило продажу. Одновременно с этим авторы опубликовали новое исследование, в котором рассказали, что улучшили свой метод получения свечения у растений. Петунии светятся еще ярче, чем их предшественник табак. Их зеленоватое свечение в темноте позволяет видеть предметы, стены и даже разобрать текст в книге.

Планируется, что первые растения будут отправлены заказчикам уже этой весной. Цена горшка с единственным в мире светящимся цветком — 29 долларов.

«В Российской Федерации на сегодняшний день запрещены выращивание и продажа ГМО-растений, — объяснил Vokrugsveta.ru Илья Ямпольский. — Но у наших зарубежных коллег имеются действующие в РФ патенты на эту технологию, и как только регуляции ГМО будут смягчены в нашей стране законодательно, мы планируем начать продажи и в России».

Невидимая жизнь флоры

Тем временем работа российских ученых продолжается: еще в предыдущих экспериментах на табаке они обнаружили, что так как свечение растений связано с метаболизмом, оно может рассказать наблюдателю о «самочувствии» хозяина. Так, растения табака начинали сильнее светиться, если рядом клали банановую кожуру, выделяющую растительные гормоны.

Свечение менялось и от других факторов окружающей среды. При увядании листьев оно становилось слабее, а у молодых побегов, цветов и в «узелках» корней, наоборот, было самым ярким. Всё это позволило ученым явно наблюдать «тайную жизнь» растений. И это можно использовать как новый метод исследований, например, для изучения реакции на различные стрессы и выведения наиболее стойких сортов. Также, предполагают ученые, можно было бы создать растения, которые меняют яркость или цвет, реагируя на людей и среду.