Международная команда учёных из Российской академии наук, Совета по медицинским исследованиям Британии и Австрийского исследовательского института создала светящиеся растения, используя ДНК грибов. Финансирование проекта, результаты которого были опубликованы в научном журнале Nature Biotechnology, осуществил биотех-стартап Planta.
Науке известно более 80 видов грибов, обладающих способностью к биолюминесценции. Изучив механизмы свечения грибов, учёные пришли к выводу, что в их метаболическом цикле участвуют особые ферменты, запускающие «цикл кофейной кислоты». Всего в этом процессе задействованы 4 фермента. На первом этапе два из них превращают кофейную кислоту в промежуточное вещество. Его окисление третьим ферментом приводит к выделению фотона. Четвёртый фермент превращает окислённую молекулу обратно в кофейную кислоту, и цикл повторяется.
Несмотря на биологическое различие между грибами и растениями, последние также содержат кофейную кислоту. Абсолютно во всех растениях она является важнейшим компонентом в процессе синтеза лигнина и ряда других биологически активных веществ, придающих клеточным стенкам механическую прочность. При помощи генетической информации грибов учёные сумели создать светящиеся растения, сохраняющие способность к биолюминесценции на протяжении всей жизни. В рамках первого этапа исследования учёные внедрили фрагмент ДНК грибов в ДНК табака, поскольку он обладает относительно простой генетикой и быстро разрастается. Благодаря этому в его биологическом цикле кофейной кислоты появились ферменты, действие которых приводит к выделению фотонов. Модифицированные кусты табака испускают мягкое зеленоватое свечение.
Прежде учёные пытались создавать светящиеся растения, например, включая в их ДНК генетическую информацию светлячков. Однако из-за генетического конфликта между видами светящиеся растения не могли надолго сохранять способность к биолюминесценции и нуждались в постоянной «подкормке». Новые светящиеся растения могут производить куда более яркое и стабильное свечение на любом этапе своей жизни. По оценкам исследователей, в процессе превращения кофейной кислоты в лигнин и прочие жизненно важные вещества куст табака производит более миллиарда фотонов в минуту. Согласно ведущим авторам проекта докторам Карену Саркисяну и Илье Ямпольскому, успех их исследования был обусловлен полноценной интеграцией новых ферментов в метаболические циклы растений.
Исследователи считают, что светящиеся растения представляют собой особый интерес для науки. Биолюминесценция привлекает внимание учёных не только как фактор, усиливающий эстетическую привлекательность растений, но и как инструмент для более глубокого изучения их физиологии. Удивительным образом светящиеся кусты табака демонстрируют при помощи свечения разные этапы своего развития и реакции на взаимодействие с окружающим миром. Более молодые фрагменты растения и цветы светятся интенсивнее старых. В то же время более зрелые листы и ветви становятся ярче, когда к ним подносят кожуру зрелого банана, испускающую «стрессовый гормон» – этилен. При длительном наблюдении за модифицированным табаком учёные отметили волнообразные изменения светимости и даже мерцание в различных частях кустов. Исследователи считают, что изменение интенсивности биолюминесценции может отражать не только физиологические циклы, но и активное, и даже отчасти разумное поведение растений, которые взаимодействуют с окружающим миром.
Помимо научной значимости, светящиеся растения могут иметь и практическое применение. В будущем учёные планируют создать биолюминесцентные версии роз, барвинка и прочих декоративных садовых растений, а также научиться регулировать интенсивность их свечения. Вероятно, мысль о замене привычного уличного освещения светящимися растениями кажется слишком фантастической, чтобы стать реальностью, однако излучающие видимую жизненную энергию растения станут приятным дополнением городских ландшафтов.
