Как создать светящиеся растения: живая биолюминесценция

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.

Уверенности стартапу придавала и другая работа 2010 года. В ней Александр Кричевский описал получение ГМ-растений табака, хлоропласты которых содержат шесть генов «светящегося» lux-оперона фотобактерий. Кричевский основал собственную компанию, которая торгует побегами биолюминесцентной линии с названием, отсылающим к деревьям из того же «Аватара» – Starlight Avatar Celestine. Это единственное светящееся растение, которое можно купить сегодня, хотя оно не отличается ни яркостью, ни даже жизнестойкостью. Обещается, что растения проживут 2–3 месяца и «будут различимо светиться в темноте в течение всего этого срока». Энтони Эванс решил, что у него получится решить эти проблемы.

Специалистам его обещания показались чересчур самонадеянными, однако публике идея понравилась. Начав кампанию по сбору средств на платформе Kickstarter, Эванс пообещал всем вложившимся семена светящейся резуховидки, как только те будут получены. Удачный ход позволил привлечь больше 480 тыс. долларов: денег оказалось достаточно, и стартап проработал несколько лет, прежде чем Эванс признал, что технические проблемы его команда решить не в состоянии. Перенесение целой группы генов в нужные участки хромосом в ядре такого сложного организма остается пока невыполнимой задачей.

Другой подход удалось нащупать в том же 2010 году – когда-нибудь эта дата будет особо отмечена в истории создания светящихся растений. Тогда Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване искали подходы к усовершенствованию  светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами – что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Возникающий на их сложной поверхности плазмонный резонанс позволяет на порядки усилить флуоресцентный сигнал, в том числе и слабое естественное свечение хлорофилла, вызванное взаимодействием с фотонами определенной длины волны.

Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение. Идею подхватили по другую сторону океана, в лаборатории Майкла Страно, найдя новый и, возможно, самый многообещающий путь к получению биолюминесцентных растений.

Профессор Массачусетского технологического института Майкл Страно уверен в успехе не меньше предшественников. «Наша цель – разовая обработка саженца или взрослого растения, которая будет иметь эффект в течение всей его жизни», – сказал он, комментируя разошедшиеся по интернету снимки светящихся листьев жерухи, родственника кресс-салата. Ведь если путь генов требует новых ГМ-растений, то наночастицы способны проникнуть в уже растущие по бульварам деревья. И если у нас не получается перенести сами гены, то можно вооружиться уже готовым биолюминесцентным комплексом молекул.

Демонстрируя новый подход, Страно и его коллеги вымачивали растения в растворе наночастиц, содержащих люциферазу и необходимые ей вещества – люциферин и кофермент А. По мере высвобождения реагентов в листьях шло окисление: варьируя структуру наночастиц, ученые контролировали темп этого процесса и добились четырех часов непрерывного излучения. Конечно, о деревьях-фонарях речи пока не идет: 10-сантиметровое растение производит менее 0,5 мкВт – на порядки меньше, чем нужно для чтения. Однако ученые полны уверенности, что новый путь приведет их к растениям, ярко светящимся всеми цветами.

В самом деле, в природе существует много биолюминесцентных систем, а не так давно биохимики ИБХ РАН синтезировали и пару искусственных аналогов, реакции которых сопровождаются испусканием излучения разных цветов. И если задача перенесения  биолюминесцентного комплекса будет решена, то мы сможем получать живые светильники практически любого нужного оттенка. Сияющий огнями ночной лес затмит картины «Аватара», хотя и настольная лампа из светящихся листьев обязательно заденет самые глубокие струны души.