Наприкінці 2019 року з’явилося одразу кілька робіт, які демонструють прогрес у різних технологіях, здатних, на думку науковців, дати в результаті рослини, які випромінюють світло. Про це повідомляє agrotehnology, пише agronews.ua.
Проте варто спершу згадати захопливу історію цієї ідеї. У чернетковому варіанті спробу реалізувати в рослинах механізм, який у природі трапляється лише у тварин і грибів, було здійснено ще далекого 1986 року.
Тоді група науковців з Університету Каліфорнії змогла вмонтувати до хлоропластів тютюну ген американського світляка Photinus pyralis. Проте аби зафіксувати світло в листях, рослину довелося поливати розчинами люциферину (це важлива сполука, що бере участь у біолюмінесценції, наприклад, комах) і нуклеотидом аденозинтрифосфатом (АТФ). АТФ – це найважливіший донор енергії.
Тобто тютюн просто накачували нечуваною потужністю й сполукою, яка давала змогу цю енергію перетворити на світло. У результаті у вчених вийшло зафіксувати як листя випромінює. Однак світла було дуже мало, його можна було побачити лише на фото з витримкою у 24 год., а ефективність усієї біоконструкції з її незграбними милицями та підпірками можна було порівняти з ядерною бомбою, яку використали як запальничку.
А ось дослідження зовсім інших команд – науковців із Кембриджу та Університету НьюЙорка. Перші ще 2010 року зуміли зрозуміти механізм біолюмінесценції у бактерій і створити штам напрочуд яскравої бактерії. Другі того самого часу змогли додати до рослини ген, що відповідає за продукування люциферину, ключової сполуки для біолюмінесценції.
Існує щонайменше кілька десятків біохімічних механізмів біолюмінесценції, і жоден із них, нагадаємо, не трапляється у рослин. Досліджені ці процеси лише для кількох випадків.
Проте чому не можна просто насичувати люциферинами субстрат, як це робилося в перших дослідах? Насамперед деякі люциферини майже не розчиняються у воді, погано транспортуються до клітин рослини, нестійкі й, найголовніше, – коштують кілька сотень доларів США за 1 г.
Саме різні типи синтезу люциферину в рослині – це ключ до успіху, вважає більшість генетиків. Бактеріальний синтез виявилося майже неможливо адаптувати до рослин. Інші все ще маловідомі, тому що містять чимало проміжних стадій із використанням великої кількості різних білків.
Деяку надію в цьому напрямі дає біолюмінесцентна система, яку підгледіли в грибів.
Біолюмінесцентні гриби випромінюють світло в зеленій частині видимого спектра, добре вписуючись у вікно оптичної прозорості навіть пігментованих рослинних тканин. Крім того, біохімічний шлях виробництва люциферину в грибах куди краще підходить для інтеграції до рослини.
Група науковців з Університету Міннесоти під орудою Арджуна Хахара (Arjun Khakhar) опублікувала нещодавно препринт роботи, де описується спроба домогтися автолюмінесценції завдяки використанню в рослині механізму, що трапляється у грибах.
Це так званий цикл кофеїнової кислоти, доволі, на щастя, короткий.
Учені спробували вмонтувати до рослини тютюну хімічну фабрику, яка синтезує чотири важливі ферменти. Відповідають за нього три гени, достатні для продукування кофеїнової кислоти й перетворення її на сполуки люциферинового ряду. Гени було взято з гриба Neonothopanus nambi.
Трансгенні рослини, які вийшло виростити, випромінюють світло на всіх стадіях розвитку, не потребуючи зовнішніх субстратів. Нарешті, це світло вже видно неозброєним оком, а те, як сяють рослини, можна зняти навіть на смартфон.
Загальний фенотип тютюну, колір листя, час цвітіння та проростання насіння не різнилися зі звичайною рослиною. Це означає, що, на відміну від бактеріального механізму біолюмінесценції, продукти циклу кофеїнової кислоти не є токсичними й не накладають великого навантаження на ріст рослин.
У молодих рослин найяскравішими частинами пагона були кінцеві та пахвові бруньки й верхня частина стебла. На етапі цвітіння найбільше світла випромінювали бруньки та пелюстки. Ці спостереження свідчать про те, що інтенсивність випромінювання світла пов’язана з метаболічною активністю.
Проте існує й зовсім інший шлях конструювання рослин із заданими властивостями. Портал Массачусетського технологічного інституту публікував 2019 року відомості про продовження роботи професора Майкла Страно. Результати його команди спричинили фурор ще 2017‑го. Тоді було запропоновано відмовитися від генної інженерії на користь нанотехнологій.
Дослідники створили наночастинки на основі кремнію та полімерів. Ці наноконтейнери мали нести в собі три речовини, які відповідають за випромінювання світла. До тканин рослин наночастинки доставляли через продихи, за допомогою водного розчину.
Фундаментом для цієї спроби стали дослідження на Тайвані ще 2010 року, коли команда Су Яньсюня відкрила, що якщо робити наночастинки довгими, як голки, то їх поверхня провокує явище локалізованого плазмону – колективне збудження коливань електромагнітного поля. Виявилося, що плазмонний резонанс здатен більш як на порядок збільшити інтенсивність флуоресценції.
Дослідження Майкла Страно засвідчили, що крессалат, до якого додали подібні наноконтейнери, світився як світлодіод потужністю 0,5 мкВт. Хімічного заряду вистачало на 4 год.
Цьогоріч Страно повідомив, що спеціальні частки здатні подовжити час випромінювання на дні та навіть тижні.
У Таїланді створили окремий великий проєкт, де намагаються втілити ідеї Страно у вигляді дерев, які замінять вуличні ліхтарі. Випробовуються дерева манго, тика, родини диптерокарпових і бірманського винограду.
Проте це історія не лише про світло, адже за допомогою наноконтейнерів можна вносити до рослин такі компоненти, що радикально змінять й інші властивості організму.