Ja kādreiz esat iedomājušies pastaigu pa dārzu, kas atgādina džungļus avatarPildīts ar ziediem, kas maigi mirdz tumsā, jūs esat tuvāk tam, lai redzētu, kā tā kļūst par realitāti, nekā šķiet. Mūsdienās, pateicoties sintētiskajai bioloģijai un gēnu inženierijai, Ir augi, kas spēj paši radīt gaismu bez kontaktdakšām, baterijām vai fosforescējošām krāsām..
Tas, kas vēl pirms dažām desmitgadēm izklausījās pēc zinātniskās fantastikas, tagad ir komerciāls produkts: Bioluminiscējoša petūnija, ko pārdod Amerikas Savienotajās Valstīs un kas visu mūžu saglabā nepārtrauktu zaļu mirdzumu.Aiz šī sasnieguma slēpjas aizraujošs stāsts, kurā apvienotas mežā spīdošas sēnes, 19. gadsimta eksperimenti, zinātniskās sacensības starp laboratorijām dažādās valstīs un pieaugošas sociālās debates par to, cik tālu mums vajadzētu iet dzīvo būtņu modificēšanā "tikai tāpēc, ka tas izskatās skaisti".
Kas īsti ir bioluminiscence?
Bioluminiscence, vienkārši sakot, ir noteiktu organismu spēja radīt gaismu, izmantojot iekšējas ķīmiskas reakcijasMēs nerunājam par uzlīmēm, kas spīd, jo uzlādējas ar gaismu, vai spuldzītēm: tā ir gaisma, ko rada dzīvās būtnes bioloģija.
Šajā reakcijā vienmēr ir iesaistīta "degvielas" molekula, ko sauc par luciferīna un enzīms, kas darbojas kā katalizators, luciferāzeLuciferāze veicina luciferīna reakciju ar skābekli, radot savienojumu ļoti augstas enerģijas stāvoklī, kas relaksācijas laikā izstaro fotonu: tas mazais gaismas uzplaiksnījums, ko mēs redzam kā mirdzumu.
Šis mehānisms ar variācijām parādās daudzās dzīvo būtņu grupās: baktērijas, zivis, medūzas, tārpi, abinieki, posmkāji, piemēram, jāņtārpiņi, kā arī sēnītesJau ir aptuveni 1.500 zināmu bioluminiscējošu sugu, galvenokārt jūras, kur nakts okeāns kļūst par patiesu gaismas skatu.
Šīs gaismas funkcija ne vienmēr ir vienāda. Dažām sugām tā kalpo, lai piesaistīt partneritāpat kā jāņtārpiņi; citos gadījumos to izmanto medīt vai piesaistīt laupījumuDažas organizācijas to izmanto kā aizstāvēšana...izdalot spilgtus sekrētus, kas mulsina plēsējus. Un pastāv ļoti interesanta hipotēze: iespējams, ka daudzās līnijās Bioluminiscence pirmo reizi parādījās kā veids, kā neitralizēt reaktīvo skābekli.sākotnēji darbojoties vairāk kā antioksidantu sistēma, nevis kā dabisks lukturis.
Zinātnieki aizdomās, ka šī spēja dzīvības vēsturē ir attīstījusies neatkarīgi desmitiem reižu. Katrā grupā ķīmiskais “triks” ir līdzīgs, taču luciferīna un luciferāzes detaļas mainās.kas ievērojami apgrūtina sistēmas kopēšanu un vienkāršu pievienošanu citai organizācijai.
Kvēlojošas sēnes un to gaismas noslēpums
Bioluminiscējošās sēnes ir piesaistījušas uzmanību jau kopš senatnes. Aristotelis aprakstīja "degošas" un kvēlojošas sēnes, un Plīnijs Vecākais runāja par gaisma, kas izstaro no sēnītēm, kas aug uz kokaBet gadsimtiem ilgi neviens precīzi nezināja, kuras molekulas bija iesaistītas šajā sēnīšu mirdzumā.
Jau 19. gadsimtā franču fiziologs Rafaēls Dibuā veica svarīgu eksperimentu ar ģints luminējošajām vabolēm PiroforsViņš sasmalcināja spīdīgās daļas aukstā ūdenī un redzēja, ka tās kādu brīdi kvēlo un tad nodzisa. Viņš to atkārtoja ar verdošu ūdeni un neredzēja gaismu. Tomēr, kad viņš sajauca karsto ekstraktu ar auksto, Maisījums atkal uzliesmojaNo tā viņš secināja, ka pastāv termiski jutīga sastāvdaļa (enzīms, nākotnes luciferāze) un cita, kas pretojas vārīšanai (degviela, luciferīns). Pēc gadu desmitiem šī pieeja tika atkārtota ar sēnītēm, lai gan mīkla īsti nesakrita.
Mūsdienās ir zināms, ka apkārt ir 130 bioluminiscējošo sēņu sugasDaudzi ievērojamu savas dzīves daļu pavada micēlija veidā — pavedienu tīklojumā, kas izplatās caur trūdošu koksni —, un tieši micēlijs izstaro gaismu, bieži vien paslēptu stumbrā. Dažas sugas demonstrē arī mirdzošas sēnes, krēslas laikā pārvēršot mežu gandrīz pārdabiskā ainā.
Mikologs Deniss Dežardēns no Sanfrancisko štata universitātes ir aprakstījis vairākas luminiscējošas sugas. Kopš 2005. gada viņš sadarbojās ar ķīmiķi Kasiju Stevani Brazīlijā, lai pilnveidotu Dubuā stila "karstuma/aukstuma" eksperimentus. dažādu sēņu sugu ekstraktu sajaukšanaViņu rezultāti liecināja, ka tiem visiem bija viena un tā pati degviela un katalizators, norādot uz vienu bioluminiscences evolūcijas izcelsmi šajā līnijā.
Gandrīz tajā pašā laikā Krievijā bioķīmiķis Iļja Jampolskis un viņa grupa dzinās pakaļ vienam un tam pašam ķīmiskajam fantomam. Stevani, kurš bija nodarbojies ar šo tēmu piecpadsmit gadus, uzzināja, ka krieviem ir izdevies identificēt sēnītes luciferīnu, un, saprotams, bija diezgan vīlies. Sākot ar 2017. gadu, abas komandas sāka sadarboties; Kopā viņi pilnībā definēja sēnīšu bioluminiscējošo sistēmu. un viņi publicēja informāciju žurnālā PNAS 2018. gadā. Sēnīšu katalizatoram tika dots tikpat tiešs, cik simbolisks nosaukums: Gaisma.
Galvenais atklājums: no kofeīnskābes līdz dzīvai gaismai
Trūkstošais gabaliņš šajā mīklā bija ļoti ironisks: sēnīšu degviela tiek ģenerēta no molekulas, ko sauc par hispidīnskas savukārt tiek ražots no ļoti izplatīta savienojuma, kofeīnskābeŠis antioksidants ir atrodams ne tikai sēnēs, bet arī daudzos augos. Kā Stevani humoristiski atzīmēja, viņš gadiem ilgi to meklēja, katru dienu redzot to caur logu katrā augā šajā apgabalā.
Sēnīšu ķēdes reakcija darbojas kā eleganta cilpa. Kofeīnskābe tiek pārveidota par hispidīnu, pēc tam par sēnīšu luciferīnu; Tas oksidējas, izstarojot fotonu, un iegūtais produkts tiek pārstrādāts atpakaļ kofeīnskābē.Slēgts cikls, kas izmanto centrālo molekulu gan sēnīšu, gan augu metabolismā.
Augos kofeīnskābe ir būtiska strukturāla sastāvdaļa: tā piedalās veidošanā lignīnskas stiprina šūnu sieniņas un veicina planētas milzīgo lignocelulozes biomasu. Tas ir iesaistīts arī pigmentu, smaržvielu un antioksidantu sintēzē. Neskatoties uz to, ko norāda nosaukums, Tam nav nekāda sakara ar kofeīnu.
Saistot gaismas ražošanu ar šo universālo molekulu, pētnieki atklāja kaut ko spēcīgu: Spīdums varētu kļūt par auga vielmaiņas stāvokļa indikatoru.Patiesībā viņi novēroja, ka jaunākās zonas spīd spožāk, ziedi ir īpaši spoži, un veidojas gaismas viļņi vai mirgoņas, kas atspoguļo iekšējos procesus, kas parasti paliktu nepamanīti.
Interesants eksperiments bija saistīts ar nogatavojušās banāna mizas, kas izdala etilēnu, novietošanu šo spīdošo augu tuvumā. Spīdums manāmi palielinājās.parādot, kā bioluminiscence varētu kalpot kā vizuāls indikators reakcijai uz vides vai stresa signāliem.
No sēnēm līdz augiem, kas paši mirdz
Izprotot sēnīšu darbības mehānismu, bija pienācis laiks vissmalkākajai daļai: lai visu šo sistēmu pārnestu uz augiem, netraucējot to vielmaiņu vai neatstājot tos "kropļotus" gaismas ražošanas ziņāŠeit noder sintētiskā bioloģija un laba deva pacietības.
Krievu zinātnieks Karena Sarkisjana, sintētiskās bioloģijas eksperts un tagad Londonas Imperiālajā koledžā, vadīja bioluminiscējošajai sēnei nepieciešamo gēnu identificēšanu. Neonothopanus nambiViņa komanda atlasīja gēnus, kas kodēja četrus gaismas ciklā iesaistītos enzīmus, un iepakoja tos ievadīšanai augos.
Pirmā izmēģinājumu platforma bija tabakas augi, kas ir augu biotehnoloģijas klasika, jo Tie aug ātri, ir viegli ģenētiski modificējami un labi panes "eksperimentus".Rezultāts bija iespaidīgs: lapas, stublāji, saknes, pumpuri un ziedi izstaroja zaļu gaismu, ko varēja uztvert ar parastām kamerām un pat mobilajiem tālruņiem, neizmantojot augstas jutības zinātniskās kameras.
Šie panākumi balstījās uz kaut ko tādu, ko Sarkisjans parasti apkopo šādi: Augi un sēnes “runā līdzīgā bioķīmiskā valodā”Kofeīnskābe ir kopīga abiem, un tas atvieglo vielmaiņas ceļa "pārnešanu" no viena organisma uz citu, ja vien gēnu ekspresija ir labi pielāgota, lai nedestabilizētu saimniekorganismu.
Ar dažiem papildu uzlabojumiem komandai izdevās paplašināt šo iespēju, iekļaujot arī citas sugas: krizantēma, papele, paraugaugs Arabidopsisperiwinkle, roze un, protams, petūnijaVisi no tiem varētu stabilā veidā iekļaut sēnīšu sistēmu savā genomā un spīdēt visā dzīves ciklā, nepievienojot ārējas ķīmiskas vielas.
Iepriekšējie mēģinājumi: jāņtārpiņi, baktērijas un neveiksmīgi projekti
Ideja par mirdzošu augu radīšanu neradās no sēnēm, nebūt ne. Astoņdesmitajos gados ķīmiķis Kīts Vuds Viņš bija daļa no Kalifornijas Universitātes Sandjego komandas, kas izveidoja Pirmais bioluminiscējošais augs, kas radīts ar ģenētiskās inženierijas palīdzību, izmantojot jāņtārpiņa gēnuViņi publicēja atklājumu Zinātne Un, lai gan spožums bija ļoti vājš, savā laikā tas bija kaut kas patiesi revolucionārs.
Problēma ir tā Tie augi paši no sevis nespīdēja.Bija nepieciešams ārēji lietot jāņtārpiņu luciferīnu — samērā dārgu un nepraktisku molekulu lietošanai mājās. Nebarojot tos ar šo savienojumu, sistēma neražoja redzamu gaismu.
Pēc gadu desmitiem MIT pētnieki izmēģināja citu pieeju: ugunspuķu enzīmu iekapsulēšana nanodaļiņās Tie tika ievadīti auga audos, iegremdējot to īpašā šķīdumā. Tas ļāva augiem dažas stundas izstarot gaismu, taču tas joprojām bija īslaicīgi un atkarīgs no ārējas apstrādes, kas ir tālu no tā, ko meklē plaša sabiedrība.
Paralēli 2010. gadā Stounibrukas universitātes komanda izmantoja gēnus no bioluminiscējošas jūras baktērijas lai izveidotu pašluminiscējošu augu, taču intensitāte bija ļoti zema. Pat tā tas lika pamatus projektam, kas vēlāk kļūs ļoti slavens: Entonija Evansa Kickstarter kampaņa 2013. gadā, kas solīja “izcilas elektrostacijas bez elektrības”.
Projektu izstrādāja uzņēmums Taxa Biotechnologies. savāca gandrīz pusmiljonu dolāru piedāvājot apmeklētājiem mirdzošu augu sēklas. Tas arī radīja bažas par iespējamu ģenētiski modificētu augu masveida izplatīšanu bez skaidras vides kontroles. Pēc vairāku gadu darba komanda nesasniedza savu mērķi: jāņtārpiņu un baktēriju gēnus tie efektīvi neintegrējās augu metabolismāun augi tik tikko izstaroja gaismu.
Tas viss deva svarīgu mācību: Augu ar jaunām īpašībām projektēšana nav tikai gēnu "kopēšana un ielīmēšana"Tas ir līdzīgi kā mēģināt ievietot viena pulksteņa daļas citā: ja tās neiederas kopējā mehānismā, pulkstenis pārstāj darboties vai, labākajā gadījumā, nerāda laiku. Savukārt sēnīšu ceļš tieši savienojās ar kofeīnskābi, dabiski augos sastopamu molekulu, un tas visu izšķīra.
Dzimst Light Bio, un tirgū nonāk mirdzošā petūnija
Tā kā sēnīšu sistēma tagad ir apgūta un pārbaudīta vairākās sugās, nākamais solis bija neizbēgams: laist patēriņa tirgū gaismas rūpnīcuŠajā nolūkā Kīts Vuds līdzdibināja biotehnoloģiju uzņēmumu. Light Bio kopā ar Karenu Sarkisjanu un Ilju Jampolinski, apvienojot zināšanas augu ģenētiskajā inženierijā, bioluminiscencē un komercializācijā.
Pirmais plašākai publikai gatavais radījums bija petūnija (Petūnijas hibrīda) iekštelpu bioluminiscējošaiesaukts par “Jāņtārpiņu”. Dienā tā ziedi izskatās kā parasta balta petūnija, bet tumšā vidē tie izstaro maigu zaļu mirdzumu, kas atgādina jāņtārpiņu. pilnmēness nakts gaismākā to apraksta pati Sarkisjana. Tas nespīd kā lampa, bet ir skaidri redzams ar neapbruņotu aci pēc tam, kad acis ir pieradušas pie tumsas.
2023. gada septembrī Amerikas Savienoto Valstu Lauksaimniecības departaments (USDA)ar Dzīvnieku un augu veselības inspekcijas dienesta (APHIS) starpniecību veica šīs petūnijas regulatīvo pārskatīšanu un secināja, ka Tas neradīja būtiskus draudus videiViņi uzskatīja, ka tā nav invazīva suga, ka nav sagaidāms, ka tā izspiedīs vietējo floru, un ka gēnu izplatīšanās iespējamība attiecīgajos savvaļas augos ir ļoti zema.
Ar iestāžu apstiprinājumu Light Bio laida klajā savu pirmo komerciālo partiju 2024. gadā: daži 50 000 augu, kas izplatīti visā Amerikas Savienotajās ValstīsTā cena bija aptuveni 29 ASV dolāri (aptuveni 541 peso jeb nedaudz mazāk par 30 eiro). Pieprasījums bija tik liels, ka izveidojās rindās ar vairāk nekā 10 000 cilvēkiem, kuri vēlējās iegūt savu izgaismoto eksemplāru.
Zinātnieku aprindās uzņemšana ir bijusi gan aizrautības, gan veselīgas skaudības sajaukums. Augu biologs Diego Orsaess, no Valensijas Augu molekulārās un šūnu bioloģijas institūta, raksturoja šo pagrieziena punktu kā "Revolucionārs notikums"Pirmo reizi ir radīts augs, kas ir pietiekami spilgts, lai ikviens varētu to baudīt savā viesistabā bez īpaša aprīkojuma. Viņš pats atzina, ka Eiropā viņš jutis zināmu skaudību, redzot, ka amerikāņu patērētāji to jau var iegādāties, lai gan šeit noteikumi ir daudz stingrāki.
Kā bioluminiscējošā petūnija darbojas no iekšpuses
Light Bio petūnijas atslēga ir tā Tā genomā ir integrēti sēnītes gēni. Neonothopanus nambi nepieciešams, lai pabeigtu kofeīnskābes cikluAugs ražo fermentus, kas šo savienojumu pārvērš par sēnīšu luciferīnu, oksidējot to, ģenerē gaismu un pēc tam produktu pārstrādā atpakaļ kofeīnskābē. Tas viss notiek 24 stundas diennaktī, kamēr augs ir dzīvs.
Atšķirībā no citiem organismiem, kas modificēti mirdzumam, petūnijai nav nepieciešamas īpašas piedevas: Nav nepieciešams to "barot" ar retām vielām vai apgaismot ar ultravioleto gaismu. nelietojiet nevienu augt lampaFotosintēzei tam vienkārši nepieciešama saules gaisma, kā arī normāla laistīšana un kopšana. Jo labāks augs — jo veselīgāks un spēcīgāks —, jo intensīvāks būs tā mirdzums, lai gan vienmēr maigā diapazonā, kas netraucē miegu.
Uzņēmuma Light Bio pārstāvji uzstāj, ka augs neuzrāda nekādas stresa pazīmes vai veselības problēmas, kas radušās apgaismojuma sistēmas dēļ. Izmēģinājumi ar tabaku un citām sugām ir pierādījuši, ka Gaismas ražošana katastrofāli "neizzog" resursus.Citiem vārdiem sakot, šie nav augi, kas nolemti dzīvot pusdzīvi tikai tāpēc, ka ir iegriba likt tiem mirdzēt.
Turklāt uzņēmums ir nolēmis neierobežot klientu petūniju pavairošanu. Lai gan viņiem pieder patenti uz šo tehnoloģiju, viņi neplāno liegt cilvēkiem mēģināt ņemt spraudeņus vai sēklas.Viņu stratēģija ir izstrādāt jaunas, vēl pārsteidzošākas šķirnes un papildu pielietojumus, nevis bloķēt auga normālo dzīves ciklu.
Praktisks pielietojums un izmantošana lauksaimniecībā
Lai gan no ārpuses tā galvenais pielietojums ir tikai dekoratīvs —lai uz naktsskapīša būtu mirdzošs puķupods vai uz terases —, Bioluminiscējošiem augiem ir milzīgs potenciāls kā lauksaimniecības pētniecības instrumentam.
Tā kā gaisma ir tieši saistīta ar tik centrālu molekulu kā kofeīnskābe, tā var darboties kā auga fizioloģiskā stāvokļa indikatorsPraktiski varētu veidot šķirnes, kurās spilgtums palielinās vai krāsa mainās, piemēram, ja augs cieš no ūdens trūkuma, patogēnu uzbrukuma, sālsūdens stresa vai aukstuma bojājumiem.
Kaut kas līdzīgs jau ir paveikts citos kontekstos: laboratorijas eksperimentos, Bioluminiscējošie gēni ir saistīti ar gēniem, kas iesaistīti reakcijā pret mikroorganismiem.Tādā veidā auga zonas, kas aktivizē tā aizsardzības sistēmu, sāk mirdzēt, vizuāli atklājot, kuri audi reaģē uz infekciju.
Ja šo ideju piemērotu lauksaimniecībā, mēs varētu iegūt kultūraugus, kas "atdodas", iedegoties ilgi pirms lauksaimnieks pamana jebkādus redzamus simptomus. Tas veicinātu precīzāka fungicīdu, mēslošanas līdzekļu vai apūdeņošanas lietošanasamazinot izmaksas un ietekmi uz vidi. Tas ir viens no rīcības virzieniem, ko eksperti uzskata par vislielāko nākotni, ja vien to atbalstīs likumdošana.
Arī pati sēnīšu bioluminiscences tehnoloģija tiek pētīta kā sistēma Marķēšana biomedicīnā un biotehnoloģijājo tas piedāvā autonomu, nepārtrauktu un labi integrētu gaismas ražošanu vielmaiņā, bez nepieciešamības injicēt eksogēnu luciferīnu, kā tas notiek ar jāņtārpiem.
Regulējums, riski un Eiropas perspektīva
Spīdīgās petūnijas ienākšana ASV tirgū ir atdzīvinājusi mūžīgās debates par ģenētiski modificēti organismi (ĢMO)Amerikas Savienotajās Valstīs, kur liela daļa rūpnieciskās lauksaimniecības gadu desmitiem ir balstīta uz ģenētiski modificētām kultūrām, šāda veida dekoratīvo produktu normatīvais konteksts ir samērā elastīgs.
Tomēr Eiropā situācija ir pavisam citāda. ES Tai ir ļoti detalizēts tiesiskais regulējums, kas regulē audzēšanu un tirdzniecību. ģenētiski modificēti augiJebkurai jaunai šķirnei ir jāveic komplekss riska novērtējums attiecībā uz cilvēku un dzīvnieku veselību un vidi, īpaši uzsverot potenciālu kļūt invazīvai, ietekmēt vietējās sugas vai radīt jaunas ekoloģiskas problēmas.
Turklāt Vecajā kontinentā pastāv daudzas bažas par pārtikas nodrošinājums, ietekme uz vidi un intelektuālā īpašuma tiesībasLai gan gēnu rediģēšanas tehnoloģija, tostarp tādi rīki kā CRISPR, paver daudzas iespējas izturīgāku, barojošāku vai ilgtspējīgāku kultūraugu audzēšanai, sabiedrības viedoklis joprojām ir ļoti neuzticīgs visam, kas izklausās pēc "ģenētiski modificēta".
Konkrētajā bioluminiscējošās petūnijas gadījumā zinātnieki uzstāj, ka Tā nav invazīva suga, tās dzimtene nav Ziemeļamerika, un to neuzskata par apdraudējumu ekosistēmām.Dekoratīvās petūnijas, kas piepilda puķu kastes un degvielas uzpildes stacijas visā pasaulē, ir hibrīdi, kas radīti no tādām sugām kā Petūnija padusesun tie nav pierādījuši savu uzvedību kā agresīvas nezāles.
Tomēr joprojām ir jāievēro zināma piesardzība: pirms kaut ko tādu Eiropā pieļaut, būtu rūpīgi jāizvērtē ne tikai ekoloģiskais risks, bet arī Kādu vēstījumu sabiedrībai nosūta organismu, kas modificēti tikai estētisku apsvērumu dēļ, tirdzniecība?Daži apgalvo, ka ģenētiskās modifikācijas trivializēšana var kavēt nopietnas debates par tās patiesi nepieciešamajiem pielietojumiem, piemēram, pamatkultūru uzlabošanu vai kaitēkļu apkarošanu.
Kvēlojoši augi vienā katlā kondensē visu, kas ir uz spēles mūsdienu biotehnoloģijā: Patiesas dabas apbrīnas, cilvēka spējas pārrakstīt dzīves kodu un atbildības izlemt, kādus stāstus mēs vēlamies, lai šie pārprogrammētie gēni stāsta, sajaukums..
Starp petūnijas blāvo gaismu uz naktsskapīša un iespēju, ka koki apgaismo ielas, vai kultūraugi brīdina par savām problēmām, mirdzot, šķiet, ka inženierijas ceļā iegūto bioluminiscējošo sugu nākotne tikai sākas.
