Люминесцентные деревья как фонари будущего
Ученые работают над созданием биолюминесцентных деревьев и растений
Чтобы сэкономить энергию, люди иногда совершают безумные поступки. Кто-то проводит ночи в темноте, а кто-то пытается найти другой выход из ситуации. И, кажется, исследователи из Америки нашли его. Ученые занимаются разработкой способов сделать деревья биолюминесцентными. Это позволит использовать их как естественные уличные фонари, а значит, потребность в электричестве частично отпадет. По их предположениями, скоро улицы будут освещать растения.
Биолюминесценцию принято считать, способностью живых организмов светиться, как самостоятельно, так и с использованием симбионтов. Основной для нее служат химические процессы, во время которых происходит освобождение энергии в форме света. Этот процесс начали использовать в хозяйстве в середине двадцать первого века – генная инженерия позволила ввести устойчивые виды таких деревьев. Это не только практично, но и очень красиво.
Как появилась идея?
Все началось с того, что ученые из Соединенных Штатов Америки захотели освещать улицы городов, используя деревья. Первым, кто задумался о таком источнике света, стал Даан Розегаарде. Исследователь из Голландии полагал, что есть нечто такое, что способно заменить не только электричество, но и солнечную батарею.
Деятель в сфере искусства с особым вниманием занимался изучением медуз, и обнаружил интересное их качество. Когда они опускаются на определенный уровень глубины, сквозь толщу водного пространства можно заметить свет, который исходит от практически невидимых обитателей воды. Недолго думая, он взял на пробу частицы их тканей и определил, что решающую роль играют бактерии, накапливающие свет в течение светового дня, пока его видят. В ночное время суток они излучают столько, сколько успели собрать днем. Для подобного процесса не нужны какие-либо батареи, провода или прочие приспособления. Наверняка ты уже догадался, что природа имеет свои «светильники», и было бы глупо не обращать людям на это внимание, особенно, когда наступила эпоха исчерпывания ресурсов.
Работы исследователей из Америки
Наблюдения голландского ученого не остались незамеченными – американские исследователи тут же захотели провести практический эксперимент, чтобы проверить теорию.
Они определили тех бактерий, которые накапливают и выделяют свет – это был люциферин. Нередко его можно встретить в морском организме, причем и в растениях, и в животных. Также он легко «внедряем» в клетки наземной флоры – именно это и стало новой целью ученого из Сан-Франциско по имени Энтони Эванс.
Эксперимент прошел успешно. Благодаря его совместной работе с коллегами появился проект Glowing. Дальше они занялись генной модификацией. В качестве подопытных были выбраны комнатные растения, в ДНК которых исследователи внедряли биолюминесцентные бактерии.
На тот момент было немало страхов, что данные организмы не смогут прижиться в цветах и кустарниках, но, к счастью, они не оправдались. Молекулы, которые были пересажены из организмов морских жителей, сумели синтезироваться с клетками комнатных растений и по итогу засветились.
Параллельно с этими, свое исследование проводили ученые из Нью-Йорка. Главной целью проекта под названием Bioglow стало модифицирование ДНК представителей интересного вида Nicotinana Tabacum. По итогу бактерии прижились, и цветки стали светиться в горшках. Но больше всего исследователей удивил тот факт, что ярче светились не листья, а стебли. Они нашли этому простое объяснение – световые частички синтезируются с более крепким и стойким клеточным объединением.
Около 10 лет назад группа во главе Кричевского пыталась внедрить в состав растения люминесцентную систему. Встроить получилось, но организмы не светились настолько ярко, как планировалось. Все дело в том, что прокариотическая биохимическая цепочка слабо совместима с эукариотами.
В 2017 году была описана такая же система, но связанная с грибами. Она состоит из 3-гидроксипролина, образующегося из кофейной кислоты, простого растительного метаболита. Поэтому такой химический процесс был назван «цикл кислоты из кофе». Так как последняя имеется в составе всех растительных организмов, то заставить светиться можно любое из них.
Применение новой системы на животных и растениях
Благодаря такому инструменту, ученые сумели обнаружить многие вещи, которые ранее были совсем недоступны. Очень хорошо проследить процесс применения биолюминесценции можно в создании исследователями трансгенных животных и растений.
В первом случае для этого понадобился GFP – флуоресцентный белок зеленого окраса. Такой ген пришивали к любому биологическому процессу, который хотели изучить, а дальше просто ждали, пока он «загорится», используя при этом ультрафиолет. Если результат был положительным, то можно говорить об экспрессии белка и успешной работе системы.
В 1998 году была создана первая мышь с встроенным геном. Позже, 2003 году появились светящиеся рыбы, а в 2014 ученым удалось вывести свинью, которая светится.
К растениям нужен другой подход, так как их ткань довольно плотно пигментирована – состоит из хлорофилла и каротиноидов. Если будешь рассматривать ее под микроскопом, то обнаружишь поток флюоресценции. На фоне последнего заметить полезный сигнал практически нереально. По этой причине нужно было использовать люминесцентные репортеры. Они не «отсвечивают». Но так как растения самостоятельно не вырабатывают их, требуется физическое введение. Такой способ конечно не очень удобный и дорогой. «Кофейная» же система функционирует самостоятельно, так как уже существует в растительном метаболизме.
Принцип работы
Свечение работает из-за того, что молекулы люциферинов окисляются ферментом под названием люцифераза. Насчитывается сорок подобных систем, которые включают 7 разных типов последних.
О яркости
Как ты уже понял, какая-то часть растения всегда будет светиться ярче. Самыми яркими являются корни, в частности их ветвления. При обрезке побега вырастет новый, который также будет достаточно ярким. Место среза не перестанет светиться, пока не высохнет.
Интенсивность света зависит и от времени суток. Например, пик яркости можно увидеть в середине ночи. Старый побег всегда будет тусклее, в сравнении с молодым. Также яркий свет присущ цветам. Если лист погибает, то за счет биохимии, он сначала должен вспыхнуть.
Постоянство свечения
Растительные организмы светятся постоянно, с переменными колебаниями яркости. Если рядом лежит кожура от банана, то они начнут светиться ярче. Все дело в выделяемым ею этилене, растительном гормоне, угнетающем рост растений и способствующем созреванию плодов.
Где можно использовать такие растения?
Главной целью ученых было создать продукт, который заменит полноценную настольную лампу, не требующую электричества. Специалисты утверждают, что биолюминесцентные деревья можно будет внедрить для разных функций, например, полной замены электрических приборов. Некоторые модели смогут обнаруживать взрывчатые вещества и отслеживать экологические условия – «оповещать» и приближающейся засухе. В настоящее время ученые пытаются добиться разноцветного свечения. Сейчас уже есть определенный прогресс.
В MIT создали светящиеся растения: экологическое освещение будущего
Представьте себе растение, которое светилось бы как фонарик, позволяя читать в темноте, не тратя ни копейки на электричество. Эти растения можно выращивать всюду для того, чтобы обеспечить мягкое ночное освещение без громоздких фонарей и проводов. Эта прекрасная фантазия может стать реальностью уже в ближайшем будущем: группа исследователей из MIT хочет воплотить ее в жизнь. Но как можно заставить растение светиться?
Биологическое свечение (биолюминесценция) часто встречается в дикой природе. Ученым из Массачусетского технологического института удалось заставить некоторые растения светиться с помощью фермента светлячков, называемого люциферазой. У насекомых она связывается с другим химическим веществом, люциферином, что и вызывает реакцию, излучающую свет. Исследователи выяснили, как имплантировать оба этих компонента в листья растений, что и в самом деле заставило последних испускать тусклое свечение.
В MIT методика совершенно иная. Если команда Glowing Plants опиралась на генетические модификации, то в данном случае ученые хотят просто интегрировать светоносные белки прямо в растения. Согласно их прогнозам, в ближайшее время они смогут увеличить яркость растений и улучшить текущий метод имплантации белков. Сейчас белки попадают в листву после замачивания в растворе, полном наночастиц, под высоким давлением, а также в напылении и специальном окрашивании.
Конечно, в настоящее время светящиеся растения не смогли бы составить конкуренцию огромному рынку технологий освещения. Однако в будущем, если проект удастся и у него получится выйти на рынок, многие любители экологически чистых технологий (и просто те, кто не любит платить за свет) смогут оценить светильники-растения по достоинству.
При свете табака
В России создали биолюминесцентные растения для науки — и красоты
В лаборатории биотехнологов из Института биоорганической химии РАН выросли растения табака, которые осветили все вокруг мягким зеленым светом. На очереди — петуния, затем орхидеи или розы. Один из создателей растений, Илья Ямпольский, рассказал N + 1, как скоро живые светильники появятся в продаже, достаточно ли их света для чтения и почему это не просто игрушка, а новый инструмент для научных исследований.
Как это работает?
Предоставлено пресс-службой Российского научного фонда
В 2017 году наша группа описала люминесцентную систему грибов. Мы изучили синтез люциферина во вьетнамском светящемся грибе Neonotopanus nambi и выяснили, что грибной люциферин — это 3-гидроксигиспидин, который образуется из кофейной кислоты, обычного метаболита растений, поэтому химический цикл назвали «циклом кофейной кислоты». Через год мы определили все гены, отвечающие за этот процесс, что открыло возможность воспроизвести его в других организмах.
Примерно полгода назад наша группа, в которую вошли ученые из ИБХ РАН, компаний Planta и «Биотрон», впервые получили светящееся растение: вставили в геном табака Nicotiana tabacum гены гриба, которые кодируют ферменты синтеза грибного люциферина (гиспидина) из кофейной кислоты, ген люциферазы и фермент для превращения окисленного люциферина обратно в кофейную кислоту. Растения, которые мы получили, светятся в 10-100 раз ярче «бактериальных». Теперь результаты эксперимента, который поддерживало «Сколково» и РНФ, опубликованы в Nature Biotechnology.
Кофейная кислота есть во всех растениях, поэтому светиться, в принципе, можно заставить любое.
Как ярко?
Разные части растений светятся с разной яркостью. Например, листья выращенных нами растений светились с интенсивностью около 20 миллиардов фотонов в минуту на квадратный сантиметр, а цветы — порядка 30 миллиардов.
Tatiana Mitiouchkina et al. / Nature Biotechnology, 2020
Биолюминесценция: можно ли использовать светящиеся растения
Прежде всего это красиво. Есть тут нечто, задевающее самые глубокие струны души – недаром светящиеся деревья «Аватара» оставляют такое сильное и долгое впечатление. Наконец, это удобно: растения самостоятельно производят энергию, прекрасно адаптированы к уличным условиям и сами восстанавливаются при повреждениях. Недаром стартап Glowing Plant, который несколько лет назад искал 65 тыс. долларов на создание биолюминесцентных растений, стремительно набрал почти полмиллиона. «Такое сочетание простоты, фантастичности и реализуемости встречается редко, – объяснил успех основатель Glowing Plant Энтони Эванс. – 99% людей считают, что такого не бывает. На самом деле это уже в определенной степени факт».
Действительно, в природе существует множество различных биолюминесцентных систем, которые независимо развились у бактерий и грибов, кишечнополостных и членистоногих. Нужно заставить работать такую систему (обычно она включает фермент люциферазу и необходимые для ее работы молекулы люциферина) в растении и при этом не вредить ему. Задача понемногу решается: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Повторить работу для растений – для невзрачной на вид, но прекрасно изученной генетиками резуховидки Таля – и собирался Энтони Эванс.
Allumen разрабатывает светящиеся деревья для освещения улиц
Глава стартапа Allumen Кристиан Эйльстед впервые заинтересовался биолюминесценцией во время учебы в Датском техническом университете, где он получил магистерскую степень по биотехнологиям. Некоторые разновидности биолюминесцентных микроводорослей — так называемые динофлагелляты — в темное время суток производят яркое сине-зеленое свечение. Феномен можно наблюдать в теплых странах в районе экватора.
Человечество наблюдает биолюминесценцию уже более 2500 лет, однако ученые до сих пор не знают, как именно водоросли производят свечение. Согласно теории, за эффект отвечают фермент люцифераза и люциферин — молекула, которая производится в процессе фотосинтеза.
Allumen надеется в ближайшее время выяснить, какие именно гены позволяют водорослями люминесцировать. Затем ученые планируют применить технологию генетического редактирования и наделить растения свойствами микроводорослей. Светящиеся деревья постепенно смогут заменить уличные фонари, на которые многие города тратят значительную часть бюджета.
Но, как отмечает Fast Company, по яркости водоросли значительно уступают светодиодам. Синего люминесцентного свечения будет недостаточно, чтобы осветить улицу или магистраль.
Однако природные источники света более экологичны, чем фонари, даже если те получают электроэнергию из возобновляемых источников. Деревья с генами водорослей будут потреблять лишь воду, солнечный свет и CO2, а для их производства не потребуются химикаты.
Технология находится на начальной стадии, однако биоэтики уже встревожились. Воздействие деревьев с отредактированным геномом на экосистему не изучено и неясно, как именно они повлияют на другие растения, птиц, насекомых и животных, а также на людей.
Allumen пока находится на раннем этапе разработок и параллельно занимается более доступными технологиями. Стартап поставляет в школы наборы с водорослями, которые помогают изучить принцип фотосинтеза. Также компания работает над подобием лава-лампы, в которой вместо лавы будут использованы светящиеся водоросли. Днем они будут впитывать солнечный свет, а ночью будут производить свечение.
Датский стартап не единственная компания, которая пытается наделить растения способностью к люминесценции. Проект Glowing Plant собрал на Kickstarter почти полмиллиона долларов на создание светящихся комнатных растений, но так и не смог разработать подходящий метод генетического редактирования.
Ранее команде ученых из МТИ удалось заставить растения производить легкое свечение — для этого исследователи ввели наночастицы, “сдобренные” ферментами светлячков.