świecąca szklarnia naszych marzeń jest wciąż tak bardzo daleko, ale właśnie zbliżyła się kusząco.
naukowcy genetycznie zaprojektowali roślinę o nie tylko widocznym blasku, ale samowystarczalnym blasku, który trwa przez cały cykl życia rośliny.
to zapierająca dech w piersiach poprawa w stosunku do poprzednich świecących roślin. Jest jaśniejszy niż poprzednie genetycznie zmodyfikowane rośliny tytoniu i nie musi być karmiony chemikaliami, aby utrzymać luminescencję. Ponadto czas świecenia jest znacznie dłuższy niż świecące rośliny wytwarzane przy użyciu nanobioniki roślin.
oczywiście wszyscy natychmiast myślimy o zapierającym dech w piersiach nocnym ogrodzie w stylu awatara, błyszczącym i lśniącym w ciemności, a następnie – w przyszłości-zmniejszającym naszą zależność od oświetlenia elektrycznego.
ale świecąca zieleń może również pomóc nam zrozumieć same rośliny – jak działa ich metabolizm i jak reagują na otaczający je świat.
zespół pracował nad dwoma gatunkami roślin tytoniowych. I w przeciwieństwie do poprzednich genetycznie zmodyfikowanych świecących roślin, które wykorzystywały bioluminescencyjne bakterie lub DNA świetlika, rośliny te zostały zaprojektowane przy użyciu DNA grzybów bioluminescencyjnych.
„chociaż bakteryjne geny bioluminescencyjne mogą być ukierunkowane na plastydy w celu zaprojektowania autoluminescencji, jest to technicznie kłopotliwe i nie wytwarza wystarczającego światła”, napisali naukowcy w swoim artykule.
„niedawno scharakteryzowano cykl kwasu kawowego, który jest szlakiem metabolicznym odpowiedzialnym za luminescencję u grzybów. Raportujemy emisję światła w roślinach Nicotiana tabacum i Nicotiana benthamiana bez dodawania jakiegokolwiek egzogennego substratu poprzez inżynierię genów bioluminescencyjnych grzybów do genomu jądrowego rośliny.”
dopiero pod koniec 2018 roku zespół naukowców (z których wielu pracowało również nad tymi nowymi badaniami) opublikował artykuł na temat biosyntezy grzybowej lucyferyny, związków wytwarzających blask w grzybach luminescencyjnych.
odkryli, że grzyby te syntetyzują lucyferynę ze związku zwanego kwasem kawowym, nad którym pracują cztery enzymy. Dwa enzymy przekształcają kwas kawowy w prekursor luminescencyjny; trzeci enzym utlenia ten prekursor w celu wytworzenia fotonu. Czwarty enzym następnie przekształca cząsteczkę z powrotem do kwasu kawowego, który można poddać recyklingowi w tym samym procesie.
i tu robi się ciekawie – bo kwas kawowy (brak związku z kofeiną) występuje we wszystkich roślinach. Jest kluczem do biosyntezy ligniny, polimeru drzewnego, który nadaje ścianom komórek roślinnych sztywność i wytrzymałość.
zespół uznał, że możliwe jest genetycznie zaprojektowanie roślin, aby ponownie przydzielić część kwasu kawowego do biosyntezy lucyferyny, jak widać w grzybach bioluminescencyjnych.
połączyli swoje rośliny tytoniowe z czterema genami grzybów związanymi z bioluminescencją i starannie je uprawiali. I odkryli, że rośliny świeciły światłem widocznym gołym okiem od sadzonki do dojrzałości-bez widocznych kosztów dla zdrowia rośliny.
„ogólny fenotyp, zawartość chlorofilu i karotenoidów, czas kwitnienia i kiełkowanie nasion nie różniły się od tytoniu dzikiego typu w szklarni, z wyjątkiem 12-procentowego wzrostu mediany wysokości roślin transgenicznych”, napisali naukowcy w swoim artykule.
„sugeruje to, że w przeciwieństwie do ekspresji bioluminescencji bakteryjnej ekspresja cyklu kwasu kawowego nie jest toksyczna u roślin i nie nakłada oczywistego obciążenia na wzrost roślin, przynajmniej w szklarni.”
odkryli, że młodsze części rośliny świeciły najjaśniej, a kwiaty rosły najjaśniej ze wszystkich. Naukowcy stwierdzili, że wytwarzały one około miliarda fotonów na minutę. To nie wystarczy, aby przeczytać, ale jest wystarczająco jasny, aby być wyraźnie widoczne.
jest również około 10 razy jaśniejszy niż inne genetycznie zmodyfikowane świecące rośliny-twierdzą naukowcy. Nie jest to najjaśniejsza roślina produkowana; ten zaszczyt należy do rukwi wytwarzanej przez naukowców z MIT przy użyciu techniki zwanej nanobioniką roślin, która wytwarzała blask około biliona fotonów na sekundę, ale trwał tylko 3,5 godziny.
ten nowy długoterminowy, samowystarczalny blask, jak stwierdził zespół, może działać jako wskaźnik odpowiedzi roślin na ich zewnętrzne środowisko. Na przykład, gdy umieścili w pobliżu skórkę banana, rośliny świeciły jaśniej w odpowiedzi na wydzielany etylen.
zaobserwowano również migotanie i fale w świetle, wytwarzane przez wewnętrzne procesy metaboliczne, które są zwykle ukryte-co sugeruje, że badania te mogą być ciekawym sposobem badania zdrowia roślin.
„umożliwiając autonomiczną emisję światła, można monitorować dynamiczne procesy w roślinach, w tym rozwój i patogenezę, reakcje na warunki środowiskowe i efekty obróbki chemicznej”, napisali naukowcy w swoim artykule.
„eliminując potrzebę egzogennego dodawania lucyferyny lub innych substratów, te zdolności luminescencyjne powinny być szczególnie przydatne w eksperymentach z roślinami uprawianymi w glebie.”
tymczasem zespół pracuje nad rozszerzeniem badań. Mają genetycznie zmodyfikowane popularne rośliny kwitnące, takie jak barwinki, petunie i róże. Starają się również uzyskać jeszcze jaśniejszy blask i różne kolory. I myślą dużo, dużo więcej.
„chociaż kwas kawowy nie jest rodzimy dla zwierząt, autonomiczna luminescencja może być również włączona u zwierząt” – napisali.
czy to nie byłoby coś.
badania zostały opublikowane w Nature Biotechnology.