de gloeiende kas van onze dromen is nog steeds zo ver weg, maar het kreeg net een prikkelend duwtje dichterbij.
wetenschappers hebben een plant genetisch gemanipuleerd met niet alleen een zichtbare gloed, maar ook een zelfvoorzienende gloed die de hele levenscyclus van de plant duurt.
het is een adembenemende verbetering ten opzichte van eerdere gloeiende planten. Het is helderder dan vorige genetisch gemanipuleerde tabaksplanten, en het hoeft niet te worden gevoed met chemicaliën om de luminescentie te behouden. Ook is de duur van de gloed veel langer dan gloeiende planten geproduceerd met behulp van plant nanobionics.
natuurlijk denken we allemaal meteen aan een adembenemende Avatar-stijl nachttuin, glinsterend en glanzend in het donker, en – verder in de toekomst – het verminderen van onze afhankelijkheid van elektrische verlichting.
maar gloeiend groen kan ons ook helpen de planten zelf te begrijpen-hoe hun metabolisme werkt, en hoe ze reageren op de wereld om hen heen.
het team werkte aan twee soorten tabaksplanten. In tegenstelling tot eerdere genetisch gemanipuleerde gloeiende planten, die bioluminescente bacteriën of vuurvlieg-DNA gebruikten, werden deze planten gemaakt met behulp van het DNA van bioluminescente schimmels.
” hoewel bacteriële bioluminescentiegenen gericht kunnen zijn op plastiden om autoluminescentie te ontwikkelen, is het technisch omslachtig en produceert het niet voldoende licht,” schreven de onderzoekers in hun paper.
” de cafeïnezuurcyclus, een metabole route die verantwoordelijk is voor luminescentie bij schimmels, werd onlangs gekarakteriseerd. We rapporteren lichtemissie in Nicotiana tabacum en Nicotiana benthamiana planten zonder de toevoeging van een exogeen substraat door engineering schimmel bioluminescentie genen in de plant nucleaire genoom.”
pas eind 2018 publiceerde een team van onderzoekers (waarvan velen ook aan dit nieuwe onderzoek werkten) een paper over de biosynthese van schimmelluciferine, de verbindingen die een gloed in lichtgevende schimmels produceren.
zij ontdekten dat deze schimmels luciferine synthetiseren uit een verbinding genaamd cafeïnezuur, bewerkt door vier enzymen. Twee enzymen werken om cafeïnezuur om te zetten in een luminescente precursor; een derde enzym oxideert deze precursor om een foton te produceren. Het vierde enzym zet vervolgens het molecuul terug in cafeïnezuur, dat door hetzelfde proces kan worden gerecycleerd.
en dit is waar dingen interessant worden-omdat cafeïnezuur (geen relatie met cafeïne) wordt gevonden in alle planten. Het is de sleutel tot de biosynthese van lignine, het houtpolymeer dat plantencelwanden stijfheid en sterkte geeft.
het team beredeneerde dat het daarom mogelijk zou kunnen zijn om planten genetisch te ontwikkelen om een deel van hun cafeïnezuur te herverdelen voor de biosynthese van luciferine, zoals blijkt uit bioluminescente schimmels.
zij splitsten hun tabaksplanten met vier schimmelgenen geassocieerd met bioluminescentie en kweekten deze zorgvuldig. En ze vonden dat de planten gloeiden met een licht zichtbaar voor het blote oog van zaailing tot rijpheid – zonder zichtbare kosten voor de gezondheid van de plant.
“het totale fenotype, het gehalte aan chlorofyl en carotenoïden, de bloeitijd en de kieming van zaad verschilden niet van wilde tabak in de kas, met uitzondering van een stijging van 12 procent in de mediane hoogte van transgene planten”, schreven de onderzoekers in hun artikel.
” dit suggereert dat, in tegenstelling tot de expressie van bacteriële bioluminescentie, de expressie van de cafeïnezuurcyclus niet toxisch is in planten en geen duidelijke belasting vormt voor de plantengroei, althans niet in de kas.”
ze vonden dat de jongere delen van de plant het felst gloeiden, met de bloemen het helderst van allemaal. Deze produceerden, zeiden de onderzoekers, ongeveer een miljard fotonen per minuut. Dat is lang niet genoeg om door te lezen, maar het is helder genoeg om duidelijk zichtbaar te zijn.
het is ook ongeveer 10 keer helderder dan andere genetisch gemanipuleerde gloeiende planten, de onderzoekers zei. Het is niet helemaal de helderste plant geproduceerd; die eer behoort toe aan waterkers geproduceerd door wetenschappers aan het MIT met behulp van een techniek genaamd plant nanobionics, die een gloed produceerde van ongeveer een biljoen fotonen per seconde… maar het duurde slechts 3,5 uur.
deze nieuwe langdurige, zelfvoorzienende gloed, die het team ontdekte, zou kunnen fungeren als een indicator voor hoe de planten reageerden op hun externe omgeving. Wanneer ze een bananenhuid in de buurt plaatsen, bijvoorbeeld, zouden de planten helderder gloeien als reactie op het ethyleen dat wordt uitgestoten.
De ook waargenomen flikkeringen en golven in het licht, geproduceerd door interne metabole processen die meestal verborgen zijn – wat suggereert dat dit onderzoek een interessante manier kan zijn om de gezondheid van planten te bestuderen.
” door autonome lichtemissie mogelijk te maken, kunnen dynamische processen in installaties worden gemonitord, met inbegrip van ontwikkeling en pathogenese, reacties op omgevingsomstandigheden en effecten van chemische behandeling, ” schreven de onderzoekers in hun paper.
” door de noodzaak van exogene toevoeging van luciferine of andere substraten weg te nemen, zouden deze lichtgevende eigenschappen bijzonder nuttig kunnen zijn voor experimenten met planten die in de bodem worden gekweekt.”
ondertussen werkt het team aan de uitbreiding van het onderzoek. Ze hebben genetisch gemodificeerde populaire bloeiende planten zoals alikruiken, petunia ‘ s en rozen. Ze proberen ook een nog helderdere gloed en verschillende kleuren te produceren. En ze denken veel, veel groter.
” hoewel caffeic acid niet inheems is bij dieren, kan autonome luminescentie ook worden ingeschakeld bij dieren,” schreven ze.
zou dat niet iets zijn.
het onderzoek is gepubliceerd in Nature Biotechnology.