Das leuchtende Gewächshaus unserer Träume ist noch so weit weg, aber es ist nur einen verlockenden Schubs näher gekommen.
Wissenschaftler haben eine Pflanze gentechnisch verändert, die nicht nur ein sichtbares Leuchten, sondern ein sich selbst erhaltendes Leuchten aufweist, das für die Dauer des Lebenszyklus der Pflanze anhält.
Es ist eine atemberaubende Verbesserung gegenüber früheren leuchtenden Pflanzen. Es ist heller als frühere gentechnisch veränderte Tabakpflanzen und muss nicht mit Chemikalien gefüttert werden, um die Lumineszenz aufrechtzuerhalten. Außerdem ist die Dauer des Glühens viel länger als leuchtende Pflanzen, die mit Pflanzen-Nanobionik hergestellt werden.
Natürlich denken wir alle sofort an einen atemberaubenden Nachtgarten im Avatar-Stil, der in der Dunkelheit glitzert und glänzt und – in Zukunft – unsere Abhängigkeit von elektrischer Beleuchtung verringert.
Aber leuchtendes Grün könnte uns auch helfen, die Pflanzen selbst zu verstehen – wie ihr Stoffwechsel funktioniert und wie sie auf die Welt um sie herum reagieren.
Das Team arbeitete an zwei Tabakpflanzenarten. Und im Gegensatz zu früheren gentechnisch veränderten leuchtenden Pflanzen, die biolumineszierende Bakterien oder Glühwürmchen-DNA verwendeten, wurden diese Pflanzen mit der DNA von biolumineszierenden Pilzen entwickelt.
„Obwohl bakterielle Biolumineszenzgene auf Plastiden abzielen können, um Autolumineszenz zu erzeugen, ist dies technisch umständlich und erzeugt nicht ausreichend Licht“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit.
„Der Kaffeesäurezyklus, ein Stoffwechselweg, der für die Lumineszenz in Pilzen verantwortlich ist, wurde kürzlich charakterisiert. Wir berichten über Lichtemission in Nicotiana tabacum und Nicotiana benthamiana Pflanzen ohne Zugabe eines exogenen Substrats durch Engineering von Pilz-Biolumineszenz-Genen in das Pflanzenkerngenom.“
Erst Ende 2018 veröffentlichte ein Forscherteam (von denen viele auch an dieser neuen Forschung arbeiteten) ein Papier über die Biosynthese von Pilz-Luciferin, den Verbindungen, die in lumineszierenden Pilzen ein Leuchten erzeugen.
Sie entdeckten, dass diese Pilze Luciferin aus einer Verbindung namens Kaffeesäure synthetisieren, die von vier Enzymen bearbeitet wird. Zwei Enzyme arbeiten daran, Kaffeesäure in einen lumineszierenden Vorläufer umzuwandeln; Ein drittes Enzym oxidiert diesen Vorläufer, um ein Photon zu erzeugen. Das vierte Enzym wandelt das Molekül dann wieder in Kaffeesäure um, die durch denselben Prozess recycelt werden kann.
Und hier wird es interessant – denn Kaffeesäure (keine Beziehung zu Koffein) kommt in allen Pflanzen vor. Es ist der Schlüssel zur Biosynthese von Lignin, dem Holzpolymer, das Pflanzenzellwänden Steifigkeit und Festigkeit verleiht.
Das Team argumentierte, dass es daher möglich sein könnte, Pflanzen gentechnisch so zu konstruieren, dass sie einen Teil ihrer Kaffeesäure der Biosynthese von Luciferin zuordnen, wie dies bei biolumineszierenden Pilzen der Fall ist.
Sie verstärkten ihre Tabakpflanzen mit vier Pilzgenen, die mit Biolumineszenz assoziiert sind, und kultivierten sie sorgfältig. Und sie fanden heraus, dass die Pflanzen mit einem Licht leuchteten, das vom Sämling bis zur Reife mit bloßem Auge sichtbar war – ohne erkennbare Kosten für die Gesundheit der Pflanze.
„Der Gesamtphänotyp, der Chlorophyll- und Carotinoidgehalt, die Blütezeit und die Samenkeimung unterschieden sich nicht von Wildtyp-Tabak im Gewächshaus, mit Ausnahme einer Zunahme der mittleren Höhe transgener Pflanzen um 12 Prozent“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit.
„Dies deutet darauf hin, dass die Expression des Kaffeesäurezyklus im Gegensatz zur Expression der bakteriellen Biolumineszenz in Pflanzen nicht toxisch ist und das Pflanzenwachstum zumindest im Gewächshaus nicht offensichtlich belastet.“
Sie fanden heraus, dass jüngere Teile der Pflanze am hellsten leuchteten und die Blüten am hellsten wuchsen. Diese produzierten, so die Forscher, rund eine Milliarde Photonen pro Minute. Das ist nicht annähernd genug, um zu lesen, aber es ist hell genug, um deutlich sichtbar zu sein.
Es ist auch etwa 10 mal heller als andere gentechnisch veränderte leuchtende Pflanzen, sagten die Forscher. Es ist nicht ganz die hellste Pflanze.; diese Ehre gehört der Brunnenkresse, die von Wissenschaftlern am MIT mit einer Technik namens Plant Nanobionics hergestellt wurde, die ein Leuchten von rund einer Billion Photonen pro Sekunde erzeugte … aber nur 3,5 Stunden dauerte.
Dieses neue langfristige, sich selbst erhaltende Leuchten, fand das Team, könnte als Indikator dafür dienen, wie die Pflanzen auf ihre äußere Umgebung reagierten. Wenn sie zum Beispiel eine Bananenschale in die Nähe legten, leuchteten die Pflanzen als Reaktion auf das emittierte Ethylen heller.
Das ebenfalls beobachtete Flackern und die Wellen im Licht, die durch interne Stoffwechselprozesse erzeugt werden, die normalerweise verborgen sind – was darauf hindeutet, dass diese Forschung eine interessante Möglichkeit sein könnte, die Pflanzengesundheit zu untersuchen.
„Durch die Aktivierung autonomer Lichtemission können dynamische Prozesse in Pflanzen überwacht werden, einschließlich Entwicklung und Pathogenese, Reaktionen auf Umweltbedingungen und Auswirkungen chemischer Behandlungen“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit.
„Da die Notwendigkeit einer exogenen Zugabe von Luciferin oder anderen Substraten entfällt, sollten diese Lumineszenzfähigkeiten besonders für Experimente mit im Boden gezüchteten Pflanzen nützlich sein.“
In der Zwischenzeit arbeitet das Team daran, die Forschung auszubauen. Sie haben beliebte Blütenpflanzen wie Immergrün, Petunien und Rosen gentechnisch verändert. Sie versuchen auch, ein noch helleres Leuchten und verschiedene Farben zu erzeugen. Und sie denken viel, viel größer.
„Obwohl Kaffeesäure nicht in Tieren heimisch ist, könnte autonome Lumineszenz auch in Tieren aktiviert werden“, schrieben sie.
Wäre das nicht etwas.
Die Studie wurde in Nature Biotechnology veröffentlicht.