Светящиеся растения: Созданы живые растения, устойчиво светящиеся в темноте

Созданы живые растения, устойчиво светящиеся в темноте

Журнал Nature Biotechnology опубликовал статью, в которой описывается создание растений, чье свечение видно невоороуженным глазом.  

Проведенное исследование — результат совместной работы резидента Фонда «Сколково» биотехнологического стартапа Планта, Института биоорганической химии РАН, станции искусственного климата Биотрон и Института науки и технологий Австрии. Основную финансовую поддержку оказали компания Планта, «Сколково» и Российский научный фонд.

Ученые заметили, что метаболизм биолюминесцентных грибов и обычных растений имеет много общего. Они успешно перенесли необходимую для свечения ДНК из грибов в растения, создав растения с устойчивым свечением, превосходящим по яркости все предыдущие подходы.

Табак, который научили светиться ученые. Фото: Planta

Это открытие найдет широкое применение в науке. Ученые смогут использовать свечение для наблюдения за внутренними процессами в растениях. В отличие от других широко используемых типов биолюминесценции, для поддержания стабильного свечения с помощью нового подхода не требуется добавления химических реагентов. Растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, с момента прорастания до цветения.

Также новое открытие может быть использовано и в эстетических целях, например, в создании светящихся цветов, деревьев и других декоративных растений. И хотя замена уличных фонарей светящимися деревьями пока еще остается в области фантастики, растения, полученные в ходе данной работы, имеют мягкую ауру из света, отражающую происходящие в них жизненные процессы.

Масштаб проделанной работы можно оценить по числу участников. Авторами статьи в Nature Biotechnology являются 27 ученых. Работа велась под руководством Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского, с ключевым вкладом Татьяны Митюшкиной, Александра Мишина, Луизы Гонзалез Сомермейер и Надежды Маркиной.

Ученые заметили, что метаболизм биолюминесцентных грибов и обычных растений имеет много общего. Они успешно перенесли необходимую для свечения ДНК из грибов в растения, создав растения с устойчивым свечением, превосходящим по яркости все предыдущие подходы.

По данным авторов, растения производят более миллиарда фотонов в минуту. Кейт Вуд, директор компании Лайт Био, комментирует новую работу: «30 лет назад я помог создать первое люминесцентное растение, используя ген светлячков. Новые растения производят гораздо более яркое и устойчивое свечение, механизмы которого полностью встроены в их гены». Лайт Био – новая компания, которая в партнерстве с Плантой планирует вывести на рынок светящиеся в темноте декоративные комнатные растения. 

Фото: Planta.

Конечно, создание совершенно новых биологических свойств все-таки сложнее, чем просто перенос нескольких генов из одного организма в другой. Метаболизм растений подобен часовому механизму, и новые детали – элементы грибной биолюминесценции – необходимо идеально подогнать к нему.  

Природная биолюминесценция плохо изучена. До недавнего времени, полностью был расшифрован только механизм свечения бактерий. Однако попытки создать стабильно светящиеся растения, используя бактериальную систему, не увенчались успехом. 

Чуть более года назад ученые Планты установили все компоненты, необходимые для биолюминесценции в грибах. Впервые был полностью расшифрован механизм свечения в сложном многоклеточном организме. В новой работе авторы продемонстрировали, что люминесценция грибов может быть эффективно перенесена в растения. Это позволило им создать светящиеся растения, которые, как минимум, в десять раз ярче по сравнению с предыдущими работами. Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветов, его видно невооруженным глазом, и можно заснять на обычные фотоаппараты и даже смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться. 

Оказалось, что органическая молекула, необходимая для свечения грибов, используется и растениями для строительства клеточных стенок. Чтобы появился свет, эта молекула, называемая кофейной кислотой, должна пройти через метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона. Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл. 

В растениях кофейная кислота является строительным блоком лигнина, ответственного за механическую прочность клеточных стенок. Таким образом, она является частью биомассы растений – лигноцеллюлозы, которая является наиболее распространенным возобновляемым ресурсом на Земле. Помимо этого, кофейная кислота также необходима для синтеза пигментов, летучих соединений и антиоксидантов. Отметим, что несмотря на похожие названия, кофейная кислота и кофеин – два совершенно разных химических соединения. 

Иными словами, свечение и метаболизм растений тесно связаны, и потому свечение может отражать физиологический статус растений и их реакцию на окружающую среду. Например, растения светятся сильнее, если рядом с ними положить спелую банановую кожуру (которая выделяет растительный гормон этилен). Молодые побеги растений и, в особенности, цветы, светятся ярче. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз. 

Фото: Planta.

Описанная в научной статье работа велась на двух видах табака – удобных экспериментальных объектах из-за особенности их генетики и быстрого роста. Однако система биолюминесценции грибов может быть перенесена и в другие растения. Как исследователями Планты, так и в параллельном исследовании, проведенном в Университете Миннесоты, продемонстрирована применимость нового подхода для создания светящихся растений других видов, включая барвинок, петунию и розу. В будущем можно ожидать создание еще более ярких растений, в том числе растений с новыми свойствами, такими как изменение яркости или цвета свечения в ответ на людей и окружение. Ученые считают, что благодаря этой живой ауре из света мы можем достичь новых отношений с нашими комнатными растениями, которые бы понравились создателям фильма «Аватар».

Российские ученые создали растения, светящиеся в темноте

https://ria.ru/20200428/1570670712.html

Российские ученые создали растения, светящиеся в темноте

Российские ученые создали растения, светящиеся в темноте — РИА Новости, 28.04.2020

Российские ученые создали растения, светящиеся в темноте

Российские ученые создали первые постоянно светящиеся растения. Свойство автолюминесценции у них закодировано на генетическом уровне. Результаты исследования… РИА Новости, 28.04.2020

2020-04-28T12:53

2020-04-28T12:53

2020-04-28T12:54

наука

растения

мгу имени м. в. ломоносова

российская академия наук

открытия — риа наука

российский научный фонд

биология

генетика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e4/04/1c/1570672066_0:51:974:599_1920x0_80_0_0_b2b596ba5112d28141deb982c57fe1d2.jpg

МОСКВА, 28 апр — РИА Новости. Российские ученые создали первые постоянно светящиеся растения. Свойство автолюминесценции у них закодировано на генетическом уровне. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biotechnology.Природная биолюминесценция плохо изучена. До недавнего времени полностью был расшифрован только механизм свечения бактерий. Однако попытки создать стабильно светящиеся растения, используя бактериальную систему, не увенчались успехом.Чуть более года назад ученые российского научного стартапа Планта установили все компоненты, необходимые для биолюминесценции в грибах. Впервые был полностью расшифрован механизм свечения в сложном многоклеточном организме.В новой работе авторы открытия показывают, что систему люминесценции грибов можно эффективно перенести на растения. Созданные ими растения трансгенного табака светятся, как минимум, в десять раз ярче по сравнению с предыдущими опытами. Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветков, его видно невооруженным глазом, и можно заснять на обычные фотоаппараты и смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться. «Мы заметили, что метаболизм биолюминесцентных грибов и обычных растений имеет много общего. И теперь успешно перенесли необходимую для свечения ДНК из грибов в растения, создав растения с устойчивым свечением, превосходящим по яркости все предыдущие подходы», — приводятся в пресс-релизе Российского научного фонда, поддержавшего исследования, слова руководителя проекта по гранту РНФ, доктора химических наук, руководителя Отдела биомолекулярной химии в Институте биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН Ильи Ямпольского.В отличие от других широко используемых типов биолюминесценции, для поддержания стабильного свечения с помощью нового подхода не требуется добавления химических реагентов. Растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, с момента прорастания до цветения. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз.»Усиление свечения наблюдается через некоторое время после рассвета и сразу же при переходе к темноте, а если выключить свет на несколько дней, то «волны» свечения еще некоторое время продолжаются по внутренним «биологическим часам» растения. До разработки светящихся растений об изучении динамики метаболизма можно было только мечтать. Новая технология позволяет оценивать фенольный метаболизм в минутных интервалах времени, и получать информацию о локализации процессов с точностью до миллиметров», — говорит один из авторов исследования, директор Ботанического сада МГУ, доктор биологических наук Владимир Чуб.Ранее ученые выяснили, что грибы для свечения используют вещество фенольной природы — кофейную кислоту, которая также присутствует в растениях. Чтобы появился свет, кофейная кислота должна пройти метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона — возникает свечение. Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл. Таким образом, для получения светящихся растений, исследователям было достаточно перенести всего четыре гена из грибов в растения.Авторы проводили эксперимент на двух видах табака, однако, ученые отмечают, что созданная ими система биолюминесценции легко может быть перенесена и в другие растения.Это открытие, по мнению авторов, найдет широкое применение в науке. Ученые смогут использовать свечение для наблюдения за внутренними процессами в растениях. Также оно может быть использовано для создания светящихся цветов, деревьев и других декоративных растений. Проектом предусмотрено создание коммерческого продукта, так что вполне возможно, что скоро светящиеся в темноте комнатные растения можно будет купить.

https://ria.ru/20200428/1570662373.html

https://ria. ru/20200427/1570620506.html

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/04/1c/1570672066_54:0:921:650_1920x0_80_0_0_4ec08ca1e316122ef346859218918bdb.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4. 7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

растения, мгу имени м. в. ломоносова, российская академия наук, открытия — риа наука, российский научный фонд, биология, генетика

Наука, Растения, МГУ имени М. В. Ломоносова, Российская академия наук, Открытия — РИА Наука, Российский научный фонд, биология, генетика

МОСКВА, 28 апр — РИА Новости. Российские ученые создали первые постоянно светящиеся растения. Свойство автолюминесценции у них закодировано на генетическом уровне. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Природная биолюминесценция плохо изучена. До недавнего времени полностью был расшифрован только механизм свечения бактерий. Однако попытки создать стабильно светящиеся растения, используя бактериальную систему, не увенчались успехом.

Чуть более года назад ученые российского научного стартапа Планта установили все компоненты, необходимые для биолюминесценции в грибах. Впервые был полностью расшифрован механизм свечения в сложном многоклеточном организме.

В новой работе авторы открытия показывают, что систему люминесценции грибов можно эффективно перенести на растения. Созданные ими растения трансгенного табака светятся, как минимум, в десять раз ярче по сравнению с предыдущими опытами.

Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветков, его видно невооруженным глазом, и можно заснять на обычные фотоаппараты и смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться.

«Мы заметили, что метаболизм биолюминесцентных грибов и обычных растений имеет много общего. И теперь успешно перенесли необходимую для свечения ДНК из грибов в растения, создав растения с устойчивым свечением, превосходящим по яркости все предыдущие подходы», — приводятся в пресс-релизе Российского научного фонда, поддержавшего исследования, слова руководителя проекта по гранту РНФ, доктора химических наук, руководителя Отдела биомолекулярной химии в Институте биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН Ильи Ямпольского.

28 апреля 2020, 09:36

Российские и литовские ученые придумали «вакцину от старения»

В отличие от других широко используемых типов биолюминесценции, для поддержания стабильного свечения с помощью нового подхода не требуется добавления химических реагентов. Растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, с момента прорастания до цветения. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз.

«Усиление свечения наблюдается через некоторое время после рассвета и сразу же при переходе к темноте, а если выключить свет на несколько дней, то «волны» свечения еще некоторое время продолжаются по внутренним «биологическим часам» растения. До разработки светящихся растений об изучении динамики метаболизма можно было только мечтать. Новая технология позволяет оценивать фенольный метаболизм в минутных интервалах времени, и получать информацию о локализации процессов с точностью до миллиметров», — говорит один из авторов исследования, директор Ботанического сада МГУ, доктор биологических наук Владимир Чуб.

Ранее ученые выяснили, что грибы для свечения используют вещество фенольной природы — кофейную кислоту, которая также присутствует в растениях. Чтобы появился свет, кофейная кислота должна пройти метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона — возникает свечение. Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл. Таким образом, для получения светящихся растений, исследователям было достаточно перенести всего четыре гена из грибов в растения.

Авторы проводили эксперимент на двух видах табака, однако, ученые отмечают, что созданная ими система биолюминесценции легко может быть перенесена и в другие растения.

Это открытие, по мнению авторов, найдет широкое применение в науке. Ученые смогут использовать свечение для наблюдения за внутренними процессами в растениях. Также оно может быть использовано для создания светящихся цветов, деревьев и других декоративных растений. Проектом предусмотрено создание коммерческого продукта, так что вполне возможно, что скоро светящиеся в темноте комнатные растения можно будет купить.

27 апреля 2020, 12:50Наука

Российские ученые нашли вещество, твердое как алмаз

Как вырастить светящиеся растения

К растительным настольным лампам, к деревьям-фонарям и лесам, полным живой биолюминесценции, ведет несколько путей. И мы уже начали движение по ним: свет виден не так далеко за горизонтом.

Роман Фишман

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.

Путь генов

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.

Путь наночастиц

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.

Путь синтеза

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.

Купили бы себе светящийся цветок?

инженеры создали ярко светящиеся растения, которые можно перезаряжать

22 сентября 2021
13:47

Ольга Мурая

Фото 2017 года. При тусклом свете растительных фонарей первого поколения было ещё трудно читать книгу. Однако теперь учёные разработали более яркий прототип.

Фото MIT.

Микроскопическое изображение светящихся наночастиц (окрашены зелёным) внутри растения.

Фото MIT.

Новая разработка позволит пассивно освещать города при помощи растений и без вреда для природы.

Исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) заставили растения светиться. Причём не просто излучать лёгкое свечение, а освещать пространство вокруг себя.

Для того чтобы растение испускало яркий свет в течении нескольких минут, его достаточно было десять секунд «заряжать» с помощью светодиода. Таким образом растительный «фонарик» можно подзаряжать несколько раз.

Новая разработка учёных светит в десять ярче, чем первое поколение светящихся растений 2017 года, сообщается в пресс-релизе института.

«Создание рассеянного света с использованием возобновляемой химической энергии живых растений — смелая идея, – говорит соавтор работы профессор Шейла Кеннеди (Sheila Kennedy) из MIT. – Это фундаментальный сдвиг в нашем понимании [функционирования] живых растений и [использовании] электроэнергии для освещения».

Поясним, что исследователи уже несколько лет работают в области «нанобионики растений». Они стремятся наделить растения совершенно новыми функциями, внедряя в них специально разработанные наночастицы.

Первое поколение светящихся растений было «оборудовано» наночастицами с люциферазой и люциферином, благодаря которым в природе светятся тела светлячков.

Поместив эти вещества в листья кресс-салата, учёные получили тускло светящиеся растения. Чтобы при таком свете можно было читать книгу, нужно, чтобы растения излучали в тысячу раз более яркий свет. А ещё этот салат должен светиться в течение нескольких часов.

В ходе нового исследования, результаты которого были опубликованы 8 сентября 2021 года в издании Science Advances, учёные стремились разработать новые наночастицы, обеспечивающие более долгое и яркое свечение растений.

И это у них получилось. Исследователи решили создать своего рода конденсатор. Благодаря этому устройству электрические цепи могут накапливать электричество и высвобождать его по мере необходимости.

В светящихся растениях световой конденсатор накапливает свет в виде фотонов, постепенно высвобождая их с течением времени.

Для создания такого конденсатора использовался люминофор. Он способен поглощать видимый или ультрафиолетовый свет и затем испускать его в виде нетеплового свечения (люминесценции).

Люминофоры есть во многих механических часах. Этими веществами подсвечиваются деления на циферблате и стрелки.

Люминофором для растений стало соединение под названием алюминат стронция. Его можно преобразовать в наночастицы. Перед тем как поместить их в растения, исследователи покрыли частицы соединениями кремния. Это защитило растение от повреждений из-за такого вмешательства.

Наночастицы люминофора «загружаются» в листья растения через устьица — поры в наружном слое клеток. Накапливаются эти светящиеся частицы в паренхиме — внутренней части листа, выполняющей фотосинтез — и образуют в ней наноразмерную плёнку.

Микроскопическое изображение светящихся наночастиц (окрашены зелёным) внутри растения.

Фото MIT.

Такой способ накопления световых наночастиц не вредит растению и не снижает свечение наночастиц.

Учёные продемонстрировали, что всего 10 секунд голубого светодиодного света «напитали» растение фотонами так, что оно могло затем светиться около часа. Правда, наиболее яркий свет растение могло излучать всего около пяти минут после «зарядки».

«Перезаряжать» растения фотонами можно в течение двух недель. А по окончании эксперимента учёным даже удалось извлечь из листьев до 60% люминофора и использовать его повторно.

Исследователи также выяснили, что в качестве природных фонарей можно применять разные виды растений: они уже заставили светиться кресс-салат, базилик и табак.

Авторы работы также продемонстрировали, что могут заставить светиться листья крупного растения алоказии («слоновье ухо»).

Исследователи лелеют мечту, в которой деревья с широкими листьями смогут освещать общественные пространства вместо фонарей. Это может стать новым словом в альтернативной энергетике и со временем снизит нагрузку на природу и экологию, страдающую от растущего энергопотребления человечества.

В дальнейшем учёные планируют совместить наночастицы люминофора и люциферазы, которые использовались в исследовании 2017 года, чтобы добиться ещё большей яркости и долговечности своей разработки.

Ранее мы рассказывали о том, что витрины магазинов будут освещать «бактериальные фонари» . Писали мы и о трансгенных светящихся растениях, созданных российскими учёными. Более того, в России даже грибы научили светиться всеми цветами радуги.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

технологии
наука
город
экология
растения
освещение
общество
новости
люминесценция

Светящиеся растения в природе

05.03.2020

5 биолюминесцентных живых организмов, которые освещают мир

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные

Природа освещает себя сама

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные биолюминесцентные существа, но, оказывается, это явление удивительно распространено в природе. Не удивительно, что дизайнеры все чаще задумываются о создании бесплатного источника энергии для освещения.

Природа освещает себя сама

В последние годы, ряд ученых добился успеха с внесением генетического материала, отвечающего за биолюминесценцию, в растения, которые обычно не светятся в темноте. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге вывести светящиеся деревья, которыми можно будет заменить уличные фонари, а также комнатные растения, которые заменят бытовые лампы. Это позволит сэкономить огромное количество электрической энергии. Рассмотрим некоторые виды этих увлекательных существ, которые послужили вдохновением для ученых.

Светляки в природной обстановке

В семействе жуков Lampyridae есть около 2000 видов, большинство из которых производят свечение в своем животе. Чаще всего светлячки используют биолюминесценцию в процессе ухаживания за партнером, хотя некоторые экземпляры также используют этот эффект для привлечения добычи. Биология биолюминесцентного свечения светлячков изучалась в течение многих столетий, и ученые теперь имеют детальное понимание этого эффекта – биолюминесценция является результатом химического взаимодействия между люциферином (светящимся веществом), и люциферазой (ферментом, который является катализатором для люциферина.

Диковинный свет червей в пещерах

Arachnocampa является одним из видов, который живет в пещерах и гротах Австралии и Новой Зеландии. Это своеобразное существо вырабатывает шелковые нити подобно паукам, которые затем прикрепляют к потолкам в пещерах. Нити покрыты ядовитой слизью и предназначены для ловли добычи.

У ряда бактерий вида Vibrio есть биолюминесцентные способности, которые могут принимать различные формы. Зачастую на тропических курортах люди видят это свечение, когда волны ночью разбиваются о берег. В этом случае свечение срабатывает при движении волн. Также можно наблюдать свечение при плескании воды в темноте. Иногда эффект возникает в открытом океане, когда светятся сотни миль океанской поверхности. Люди назвали этот эффект “молочное море”.

Морской охотник ловит рыбу на удочку

Одной из самых интригующих и необычных рыб, которая использует биолюминесценцию, является морской черт. Эти причудливые существа имеют органы, называемые Illicium, которые торчат из их голов, и функционируют как удочки. Кончики этих органов заселены биолюминесцентными бактериями, которые служат в качестве приманки. Свечение привлекает других рыб в темной воде и рыба по сути сама заплывает в огромные, клыкастые челюсти морского черта.

Свет грибов в лесу

В некоторых темных лесах по всему миру земля светится, когда человек просто идет по тропе. Это является результатом деятельности грибов, которые живут в гниющей древесине на лесной почве. В отличие от большинства других биолюминесцентных организмов, принцип свечения в грибах менее понятен. Некоторые предполагают, что это используется для привлечения насекомых, которые питаются грибами и тем самым помогают распространять споры. Другие считают, что это служит для отпугивания хищников, поскольку свечение считается признаком токсичности многими существами.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

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.

Путь генов

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.

Путь наночастиц

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.

Путь синтеза

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.

Максим Дубинный, научный сотрудник лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН

«Создание автономно биолюминесцентного растения или животного — задача намного более сложная, чем разработка ГМ-организмов, по поводу которых сейчас идет увлеченная дискуссия. В нашей команде под руководством Ильи Ямпольского эта тема была возвращена несколько лет назад практически из забытья. Зато теперь у нас почти готовы новые яркие результаты, о которых не стоит говорить подробнее до выхода научных публикаций. Могу сказать только одно: они уже светятся».

Светящиеся растения: экономия на освещении улиц и стильный ландшафтный дизайн

Собака Баскервилей, своим светящимся в темноте оскалом доведшая до смерти сэра Чарльза Баскервиля и чуть было не уморившая Генри Баскервиля в романе Артура Конан Дойла, была обыкновенной собакой. Светилась она только благодаря злому умыслу и фосфору на морде. Однако живые организмы, самостоятельно светящиеся в темноте, действительно существуют.

Учёные пытаются создать светящиеся растения

Бактерии, медузы, моллюски, планктон, светлячки, скорпионы, грибы (в том числе и привычные опята). Сегодня учёным известно более восьми сот светящихся живых организмов. Большинство из них обитает в морях и океанах. Но вот представителей царства Флоры, обладающих способностью к биолюминесценции, учёные пока не обнаружили. Однако человек не привык ждать милостей от Природы: если она по какой-то причине «не додумалась» сделать светящиеся растения, «венец творения» готов сам взяться за это дело.

«Bioglow» – компания, создавшая концепт светящегося растения

В природе нет светящихся растений, потому что растения не нуждаются в биолюминесценции. В микромире свечение – это побочное явление при пищеварении: нейтрализация активного кислорода ферментами бактерий при расщеплении глюкозы. Светлячки и маленькие кальмары-ватазении используют свет для привлечения партнёров, медузы – в качестве шоковой защиты от тех, кто пытается их съесть.

Светящийся от планктона океан

Также есть охотники, привлекающие своих жертв свечением собственного тела. А некоторые виды глубоководных кораллов, по мнению учёных, способны слабый коротковолновый свет, проникающий в глубину, трансформировать в более яркие вспышки. Это явление используется как фитоподсветка для возможности фотосинтеза симбиотических колоний водорослей, живущих в коралловых зарослях.

Растениям светиться ни к чему. Поэтому потребовалось вмешательство генной инженерии, десятилетия работы и солидные капиталовложения. Хлоропласты растений – полуавтономные пластиды, существующие в симбиозе с растениями. Согласно гипотезе, когда-то они были самостоятельными, как и родственные хлоропластам цианобактерии, способные к свечению. Александр Кричевский (Сент-Луис, США) – специалист в двух областях: изучении явления биолюминесценции морских бактерий и микробиологии растений. У учёного возникла мысль об объединении двух хорошо знакомых ему дисциплин, что он и сделал, создав биотехнологическую компанию «Bioglow, Inc».

Starlight Avatar: воплощение звездного света

Компанией Александра Кричевского был создан концепт светящегося растения – «Starlight Avatar®».

Starlight Avatar — светящееся растение табака. Фото с сайта bioglowtech.com

Свечение Starlight Avatar (растения табака) основано на внедрении в геном растения части гена светлячка – молекулы люциферазы. Чтобы Starlight Avatar светился, необходим катализатор – реакция свечения происходит при окислении люциферазы под действием кислорода в присутствии фермента люциферина. Люциферин содержался в питательной среде, в которой выращивалось растение.

Свечение нового поколения генно-модифицированных растений (слева) в сравнении с Starlight Avatar (справа). Фото с сайтаbioglowtech. com

В 2014 году на аукционе компанией Bioglow было продано двадцать экземпляров светящихся Starlight Avatar, растущих в специальных контейнерах. Пока этот свет очень слабый, но лаборатория Александра Кричевского работает над увеличением яркости.

Пока – из области фантастики

В планах Bioglow – создание растений, которые не только смогут украсить ландшафт ночью, но и помогут сэкономить на уличном освещении. Но пока светящиеся растения – это из области фантастики. Starlight Avatar испускает свет, только если его поливать соответствующим раствором.

Российские учёные, работающие над исследованием биолюминесценции и созданием самостоятельно светящихся растений в лаборатории биомолекулярной спектроскопии Института биоорганической химии Российской Академии наук под руководством Ильи Ямпольского, считают, что пока ещё рано планировать клумбы на своих участках с учётом светящихся в темноте роз или пионов и выкорчёвывать живую изгородь, чтобы поменять её на светящуюся.

Они называют биолюминесценцию растений одним из самых амбициозных проектов: «Идеальный вариант, который пока не удался никому, включает в себя расшифровку всего пути биосинтеза люциферина, который может быть многоэтапным процессом с участием большого числа белков. Потом – встраивание в геном другого организма генов, кодирующих все эти белки и люциферазу. На данный момент расшифрован биосинтез только бактериального люциферина, однако эта система тяжело адаптируется к растениям и животным. И реализация такого подхода представляется маловероятной».

Дорожка со светящимся гравием. Фото с сайта passages-ivm.com

Семян светящихся цветов пока ещё купить нельзя (если вы, конечно, не заплатили 40 $ за гипотетическую возможность получить семена генно-модифицированной резуховидки Таля в краудфандинговом проекте GLOWING PLANTS). Но не расстраивайтесь: зато можно приобрести искусственные светящиеся камни – для декора дорожек на своём участке, создания альпийских горок, видимых и в темноте, и даже для отделки фасада дома. Ну, или на крайний случай – хотя бы для декорирования аквариума.

Биолюминесценция в каждый дом. Почему так сложно сделать светящиеся растения

Светящееся растение? Нет, не видели

— Я когда-нибудь получу свое растение? Уже годы прошли. Мне просто любопытно.

— Как мне получить свои 40 долларов обратно?

— Я уже махнул рукой на это дело и считаю, что просто потерял деньги.

Такие комментарии в избытке можно найти на странице проекта Glowing plant в Facebook. В 2013 году группа ученых начала кампанию по сбору денег на создание светящихся растений. Идея авторов проекта звучит довольно просто по нынешним временам: взять гены, которые позволяют бактериям светиться, собрать из них единый фрагмент, вставить нужную последовательность в геном резуховидки и получить светящееся растение. Поначалу все шло отлично — проект собрал почти полмиллиона долларов. Но никаких светящихся растений его подписчики так и не увидели, а авторы переключились на создание мха, пахнущего пачулями.

Растения, рыбы и бактерии

Ученые за последние годы создавали кошек, кроликов и даже овец, которые могут светиться благодаря встроенным в их ДНК генам флуоресцентных белков. Есть даже декоративные рыбки GloFish, которые продаются для домашних аквариумов.

«GloFish — это рыбы, которые светятся благодаря флуоресцентным белкам. В природе такие белки встречаются у многих медуз, некоторых рачков и даже наших с вами далеких родственников, самых примитивных хордовых — ланцетников. Эти белки искусственно внедрены с помощью методов генной инженерии во многие другие организмы: в столь успешно продающихся GloFish, в мышей, а также во многие растения», — рассказал Ямпольский.

Флуоресцентные рыбки GloFish

Флуоресцентные белки также получили широкое распространение в молекулярной биологии, поскольку их можно использовать в качестве метки, которая будет вырабатываться вместе с определенным белком и позволит посмотреть, когда этот белок начинает образовываться в организме и где именно.

«Почему же при этом рыбы продаются, а растений в продаже мы не видим? Ответ кроется в природе флуоресценции: флуоресцентные белки светятся только в ответ на облучение их светом. Как во многих процессах, часть энергии теряется, и на выходе получается свет с другой длиной волны, то есть другого цвета. GloFish светятся не всегда, а только если на них светить ультрафиолетом, вот тогда они и становятся похожи на модниц на дискотеке», — объяснил ученый.

Флуоресцентные мышата

Сложнее, чем кажется

Идея проекта Glowing Plant в том, что растение должно светиться само по себе, а для этого нужен другой механизм — биолюминесценция.

Биолюминесценция — это свечение живых организмов, и встречается она среди тысяч очень различающихся видов, в основном морских. «Для того чтобы применять биолюминесценцию, необходимо знать, как она работает, но для многих организмов на этот вопрос до сих пор нет ответа. В основе природы свечения всегда лежит химическая реакция, а вот химическое строение ее участников — индивидуальная особенность каждого организма. Этим мы и занимаемся. Наша основная задача — узнать, как устроены светящиеся молекулы люциферин и люцифераза и как происходит сама химическая реакция», — рассказал Ямпольский.

Заставить растение или другой организм светиться благодаря механизму биолюминесценции — куда более сложная задача, чем просто встроить в ДНК ген флуоресцентного белка. В относительно простом варианте, который был реализован уже в 1986 году, в ДНК табака встроили ген люциферазы светлячка и поливали растение раствором с люциферином. Получившийся в результате табак действительно светился, что можно увидеть на его фотографии, сделанной с выдержкой в 24 часа.

«Идеальный вариант, который пока не удался никому, включает в себя расшифровку всего пути биосинтеза люциферина, который может быть многоэтапным процессом с участием большого числа белков. Потом — встраивание в геном другого организма генов, кодирующих все эти белки и люциферазу. На данный момент расшифрован биосинтез только бактериального люциферина, однако эта система тяжело адаптируется к растениям и животным. И реализация такого подхода мне представляется маловероятной», — отметил исследователь.

«Лампа» из генетически модифицированных светящихся бактерий кишечных палочек

«По разным оценкам, существует около 40 различных люциферинов и механизмов биолюминесценции. До недавнего времени было известно лишь семь структур люциферинов. Однако благодаря работе нашего научного коллектива за последние три года были установлены еще три новые структуры — люциферина сибирского почвенного червя вида Fridericia heliota, а также люциферина и люциферазы высших грибов. Мы не только знаем, как устроены эти молекулы, — мы умеем их синтезировать, понимаем, как именно происходят химические реакции свечения, умеем запускать их в пробирке и даже управлять цветом, правда, пока ограниченно. На подходе — структура люциферина многощетинкового червя, в более ранней стадии исследования — еще несколько объектов: моллюски, полихеты, акулы и другие», — рассказал исследователь.

Возможности применения биолюминесценции многообразны. В промышленности — для быстрого определения бактериального загрязнения, в науке — для изучения различных процессов, например при создании лекарственных препаратов. На сегодняшний день оборот биолюминесцентных технологий оценивается в миллиарды долларов в год.

«Задача создания биолюминесцирующего растения — одна из самых амбициозных и интересных с научной точки зрения. Однако мы еще не вышли на завершающий этап и хвастаться пока не будем. Тем не менее мы трудимся в этом направлении и, возможно, однажды сможем подарить миру самостоятельно светящееся растение», — сказал ученый.

Материал помогали готовить коллеги Ильи Ямпольского — Надежда Маркина и Зинаида Осипова.

Екатерина Боровикова

Оценка статьи:

Загрузка…

Сохранить себе в:

Adblock
detector

При свете табака

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?

Сам эффект называется «биолюминесценция» — это нетепловое свечение в живой системе. Светятся светлячки, некоторые глубоководные рыбы, грибы, бактерии. Свечение происходит благодаря окислению молекул люциферинов ферментом люциферазой. Всего известно около 40 биолюминесцентных систем, включающих семь различных типов люцифераз.

Предоставлено пресс-службой Российского научного фонда

Поделиться

Светящихся растений в природе не бывает. Сделать их искусственно пытались и раньше: например, десять лет назад группа под руководством Александра Кричевского встроила бактериальную люминесцентную систему в растения, но сделать их достаточно яркими не получилось: оказалось сложно совместить прокариотическую биохимическую цепочку с эукариотами.

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

Поделиться

В темной комнате такие растения позволяют видеть предметы вокруг, стены. После того, как глаза привыкнут к темноте, при таком свете можно даже разобрать текст.

Постоянно или нет?

Растения светятся все время, непрерывно, но яркость может колебаться. Они начинают светиться ярче, если, например, положить рядом банановую кожуру. Она выделяет этилен, растительный гормон, который, с одной стороны, угнетает рост растений, а с другой — способствует созреванию плодов.

Интенсивность свечения колеблется в зависимости от времени суток, пик яркости приходится примерно на середину ночи. Молодые побеги светятся ярче, старые тусклее. Ярко светятся цветы. А если листу пора умирать, там включается какая-то биохимия, и он вспыхивает перед тем, как погибнуть окончательно.

Tatiana Mitiouchkina et al. / Nature Biotechnology, 2020

Поделиться

Очень ярко светятся корни, особенно точки их ветвления. Если отрезать побег, на этом месте начинает вырастать новый, и это место тоже светится очень ярко. Срезанная часть растения будет светиться до тех пор, пока она не засохнет.

А можно заставить светиться деревья? А животных?

Грибная люминесцентная система — единственная, которая может работать во всех эукариотах, не только в растениях. Поэтому принципиальной границы здесь нет, мы можем заставить светиться и другие организмы. С деревьями работать сложнее, поскольку у них значительно больше срок жизни. В случае животных придется модифицировать саму систему, но непреодолимых препятствий тут нет.

Зачем нужны такие растения?

Это совершенно новый инструмент для ученых, он позволит узнать о биохимических процессах в растениях множество вещей, которые раньше были нам совершенно недоступны.

В животных это делают с помощью GFP — зеленого флуоресцентного белка. Ген GFP пришивается к какому-то биологическому процессу, который вы хотите изучить, а дальше вы сидите и ждете, когда он «загорится» под действием ультрафиолета. Засветился — значит белок экспрессируется и помеченная вами система работает.

С растениями этот метод не работает. Растительная ткань очень плотно пигментирована — там и хлорофилл, и каротиноиды, они все флуоресцируют. Если растительную ткань поместить под микроскоп, вы увидите поток флюоресценции, на фоне которого увидеть полезный сигнал почти невозможно.

Planta & Light Bio

Поделиться

Поэтому использовались не флуоресцентные репортеры, а люминесцентные — те, которые не «отсвечивают» в ответ на излучение, а светятся сами. Наблюдать за ними, соответственно, надо в темноте. Но поскольку растения сами не вырабатывают люциферин, его надо физически вводить туда, где он должен сработать. Это неудобно и дорого.

А «кофейная» система не требует никаких дополнительных опрыскиваний, поливаний, она работает сама по себе, поскольку встроена в растительный метаболизм. Ее достаточно «привязать» к нужному вам биохическому процессу, и затем просто наблюдать за тем, что происходит. Это, по большому счету, первая удобная репортерная система для растений, это своего рода растительный аналог GFP.

Потенциальных задач для такой системы очень много. Например, можно ее использовать для изучения реакций растений на стрессы — высокую температуру, высокую соленость, болезни, а потом с опорой на эти данные вывести устойчивые сорта. Десятки лабораторий со всего мира уже обратились к нам, запросили гены, семена — мы помогаем, отправляем им, например, готовые плазмиды.

Готового коммерческого продукта у нас нет. Но если к нам обратится компания, которая захочет выращивать такие растения на продажу, то они должны будут купить у нас лицензию.

Законно ли это в России?

Наши растения подпадают под регулирование, касающееся ГМ-организмов — но эксперименты с ГМ-растениями не запрещены, регулирование в основном касается выращивания модифицированных растений в открытом грунте.

Tatiana Mitiouchkina et al. / Nature Biotechnology, 2020

Поделиться

Мы собираемся создать растения, которые смогут пройти все необходимые проверки и получить разрешение для продажи на рынке. Рассчитываем, что получение всех необходимых сертификатов и лицензий займет два-три года.

А купить такой росток можно?

Компания Planta не собирается продавать светящийся табак, мы сейчас работаем над получением светящихся разновидностей традиционных декоративных растений. Я не могу назвать их все, но скажу, что идет работа над розами, орхидеями, всего их около дюжины сортов. Первым светящимся растением на рынке будет, скорее всего, петуния, планируем начать продавать их уже через два года.

Мы хотим создать линейку растений и занять свои ниши во всех сегментах декоративных растений — от срезанных цветов до газонной травы и кустарников.

Текст подготовил Сергей Кузнецов

Новое поколение светящихся растений | MIT News

Используя специализированные наночастицы, встроенные в листья растений, инженеры Массачусетского технологического института создали светоизлучающее растение, которое можно заряжать от светодиода. После 10 секунд зарядки растения ярко светятся в течение нескольких минут, и их можно перезаряжать неоднократно.

Эти растения могут излучать свет в 10 раз ярче, чем светящиеся растения первого поколения, о которых исследовательская группа сообщила в 2017 году.

«Мы хотели создать светоизлучающее растение с частицами, которые будут поглощать свет, сохранять часть , и выделять его постепенно», — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте и старший автор нового исследования. «Это большой шаг к растительному освещению».

«Создание окружающего света с помощью возобновляемой химической энергии живых растений — смелая идея», — говорит Шейла Кеннеди, профессор архитектуры Массачусетского технологического института и автор статьи, которая работала с группой Страно над освещением на основе растений. «Это представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как мы думаем о живых растениях и электрической энергии для освещения».

Частицы также могут увеличить производство света любым другим типом светоизлучающих растений, включая те, которые изначально были разработаны в лаборатории Страно. Эти растения используют наночастицы, содержащие фермент люциферазу, обнаруженный у светлячков, для получения света. Способность смешивать и сочетать функциональные наночастицы, вставленные в живое растение, для получения новых функциональных свойств является примером новой области «нанобионики растений».

Павел Гордийчук, бывший постдоктор Массачусетского технологического института, является ведущим автором новой статьи, опубликованной в Science Advances .

Конденсатор света

Лаборатория Страно уже несколько лет работает над новой областью нанобионики растений, целью которой является придание растениям новых свойств путем внедрения в них различных типов наночастиц. Их первое поколение светоизлучающих растений содержало наночастицы, несущие люциферазу и люциферин, которые работают вместе, придавая светлячкам их свечение. Используя эти частицы, исследователи создали растения кресс-салата, которые могли излучать тусклый свет, примерно в тысячную долю света, необходимого для чтения, в течение нескольких часов.

В новом исследовании Страно и его коллеги хотели создать компоненты, которые могли бы увеличить продолжительность света и сделать его ярче. Им пришла в голову идея использовать конденсатор, который является частью электрической цепи, которая может накапливать электричество и высвобождать его при необходимости. В случае со светящимися растениями световой конденсатор можно использовать для хранения света в виде фотонов, а затем постепенного его высвобождения с течением времени.

Для создания своего «светового конденсатора» исследователи решили использовать материал, известный как люминофор. Эти материалы могут поглощать видимый или ультрафиолетовый свет, а затем медленно выделять его в виде фосфоресцентного свечения. В качестве люминофора исследователи использовали соединение под названием алюминат стронция, из которого можно сформировать наночастицы. Прежде чем встроить их в растения, исследователи покрыли частицы кремнеземом, который защищает растение от повреждений.

Частицы диаметром несколько сотен нанометров могут проникать в растения через устьица — небольшие поры, расположенные на поверхности листьев. Частицы накапливаются в губчатом слое, называемом мезофиллом, где они образуют тонкую пленку. Главный вывод нового исследования заключается в том, что мезофилл живого растения можно заставить отображать эти фотонные частицы, не нанося вреда растению и не жертвуя световыми свойствами, говорят исследователи.

Эта пленка может поглощать фотоны солнечного света или светодиода. Исследователи показали, что после 10 секунд воздействия синего светодиода их растения могут излучать свет в течение примерно часа. Свет был самым ярким в течение первых пяти минут, а затем постепенно уменьшался. Установки можно постоянно заряжать в течение как минимум двух недель, как продемонстрировала команда на экспериментальной выставке в Смитсоновском институте дизайна в 2019 году. .

«Нам нужен интенсивный свет, подаваемый в виде одного импульса в течение нескольких секунд, и это может заряжать его», — говорит Гордийчук. «Мы также показали, что можем использовать большие линзы, такие как линза Френеля, для передачи нашего усиленного света на расстояние более одного метра. Это хороший шаг к созданию освещения в масштабе, который люди могли бы использовать».

«Выставка Plant Properties в Смитсоновском институте продемонстрировала видение будущего, в котором инфраструктура освещения из живых растений является неотъемлемой частью пространств, где люди работают и живут», — говорит Кеннеди. «Если бы живые растения могли стать отправной точкой для передовых технологий, растения могли бы заменить нашу нынешнюю неустойчивую городскую сеть электрического освещения для взаимной выгоды всех зависящих от растений видов, включая людей».

Крупномасштабное освещение

Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что метод «светового конденсатора» может работать на многих различных видах растений, включая базилик, кресс-салат и табак. Они также показали, что могут освещать листья растения, называемого тайским ухом слона, которые могут быть более фута в ширину — размер, который может сделать растения полезными в качестве источника наружного освещения.

Исследователи также исследовали, мешают ли наночастицы нормальному функционированию растений. Они обнаружили, что в течение 10 дней растения могли нормально фотосинтезировать и испарять воду через устьица. После завершения экспериментов исследователи смогли извлечь около 60 процентов люминофоров из растений и повторно использовать их на другом заводе.

Исследователи в лаборатории Страно в настоящее время работают над объединением частиц люминофорного конденсатора света с наночастицами люциферазы, которые они использовали в своем исследовании 2017 года, в надежде, что объединение двух технологий позволит создать растения, которые могут излучать еще более яркий свет в течение более длительных периодов времени. .

Исследование финансировалось Таиландской корпорацией Magnolia Quality Development Corp. , исследовательским грантом профессора Амара Дж. Бозе, Программой перспективных исследований для студентов Массачусетского технологического института, Сингапурским агентством науки, исследований и технологий, стипендией Samsung и Немецким исследовательским фондом. исследовательская стипендия.

Поделиться этой новостной статьей:

Бумага

Статья: «Преобразование мезофилла живых растений в фотонный конденсатор»

Упоминания в прессе

USA Today

Исследователи Массачусетского технологического института разрабатывают растения, которые могут светиться в темноте и излучать свет всю ночь, сообщает USA Today . «В высокотехнологичные растения встроены наночастицы, которые поглощают свет в течение дня или от других источников света, таких как светодиоды. После того, как свет гаснет, они постепенно высвобождают накопленную энергию в виде люминесценции».

Полная статья через USA Today →

Ссылки по теме

• Strano Research Group
• Факультет химического машиностроения
• Инженерная школа

Инженеры создают светящиеся растения | MIT News

Представьте, что вместо того, чтобы включать лампу, когда стемнеет, вы можете читать при свете светящегося растения на вашем столе.

Инженеры Массачусетского технологического института сделали важный первый шаг к тому, чтобы воплотить это видение в жизнь. Внедрив специальные наночастицы в листья кресс-салата, они заставили растения излучать тусклый свет в течение почти четырех часов. Они считают, что при дальнейшей оптимизации такие растения однажды станут достаточно яркими, чтобы освещать рабочее пространство.

«Идея состоит в том, чтобы сделать растение, которое будет функционировать как настольная лампа — лампу, которую вам не нужно подключать к розетке. В конечном счете свет питается от энергетического метаболизма самого растения», — говорит Майкл Страно, Карбон П. Даббс, профессор химического машиностроения Массачусетского технологического института и старший автор исследования.

Эта технология также может быть использована для обеспечения внутреннего освещения низкой интенсивности или для преобразования деревьев в уличные фонари с автономным питанием, говорят исследователи.

Постдоктор Массачусетского технологического института Сон-Ён Квак является ведущим автором исследования, опубликованного в журнале 9. 0013 Нанобуквы .

Нанобионические растения

Нанобионика растений, новая область исследований, разработанная лабораторией Страно, направлена ​​на придание растениям новых свойств путем внедрения в них различных типов наночастиц. Цель группы состоит в том, чтобы спроектировать растения, чтобы взять на себя многие функции, которые сейчас выполняют электрические устройства. Исследователи ранее разработали установки, которые могут обнаруживать взрывчатые вещества и передавать эту информацию на смартфон, а также установки, которые могут отслеживать условия засухи.

Освещение, на долю которого приходится около 20 процентов мирового потребления энергии, казалось следующей логичной целью. «Растения могут самовосстанавливаться, у них есть собственная энергия, и они уже адаптированы к внешней среде», — говорит Страно. «Мы думаем, что это идея, время которой пришло. Это идеальная проблема для нанобионики растений».

Чтобы создать светящиеся растения, команда Массачусетского технологического института обратилась к люциферазе, ферменту, который придает светлячкам их свечение. Люцифераза воздействует на молекулу под названием люциферин, заставляя ее излучать свет. Другая молекула, называемая коферментом А, помогает процессу, удаляя побочный продукт реакции, который может ингибировать активность люциферазы.

Команда Массачусетского технологического института упаковала каждый из этих трех компонентов в другой тип носителя наночастиц. Наночастицы, изготовленные из материалов, которые Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует как «в целом считающиеся безопасными», помогают каждому компоненту попасть в нужную часть растения. Они также предотвращают достижение концентраций компонентов, которые могут быть токсичными для растений.

Исследователи использовали наночастицы диоксида кремния диаметром около 10 нанометров для переноса люциферазы, и они использовали немного более крупные частицы полимеров PLGA и хитозана для переноса люциферина и кофермента А соответственно. Чтобы поместить частицы в листья растений, исследователи сначала суспендировали частицы в растворе. Растения погружали в раствор, а затем подвергали воздействию высокого давления, что позволяло частицам проникать в листья через крошечные поры, называемые устьицами.

Частицы, высвобождающие люциферин и кофермент А, предназначены для накопления во внеклеточном пространстве мезофилла, внутреннего слоя листа, в то время как более мелкие частицы, несущие люциферазу, попадают в клетки, составляющие мезофилл. Частицы PLGA постепенно высвобождают люциферин, который затем проникает в растительные клетки, где люцифераза выполняет химическую реакцию, заставляющую люциферин светиться.

Ранние усилия исследователей в начале проекта позволили получить растения, которые могли светиться около 45 минут, а с тех пор они улучшили этот показатель до 3,5 часов. Свет, генерируемый одним 10-сантиметровым саженцем кресс-салата, в настоящее время составляет примерно одну тысячную от количества, необходимого для чтения, но исследователи полагают, что они могут увеличить излучаемый свет, а также продолжительность света за счет дальнейшей оптимизации концентрации и высвобождения. расценки компонентов.

Трансформация растений

Предыдущие попытки создать светоизлучающие растения основывались на генетически модифицированных растениях для экспрессии гена люциферазы, но это трудоемкий процесс, дающий очень тусклый свет. Эти исследования проводились на растениях табака и Arabidopsis thaliana , которые обычно используются для генетических исследований растений. Однако метод, разработанный лабораторией Страно, можно использовать на любом типе растений. До сих пор они продемонстрировали это с рукколой, капустой и шпинатом, в дополнение к кресс-салату.

В будущих версиях этой технологии исследователи надеются разработать способ нанесения наночастиц или распыления на листья растений, что позволит превращать деревья и другие крупные растения в источники света.

«Наша цель — провести одну обработку, когда растение представляет собой сеянец или взрослое растение, и сделать так, чтобы она продолжалась в течение всего срока службы растения», — говорит Страно. «Наша работа очень серьезно открывает двери для уличных фонарей, которые представляют собой не что иное, как обработанные деревья, и для непрямого освещения вокруг домов».

Исследователи также продемонстрировали, что могут выключать свет, добавляя наночастицы, несущие ингибитор люциферазы. Исследователи говорят, что это может позволить им в конечном итоге создать растения, которые отключают излучение света в ответ на условия окружающей среды, такие как солнечный свет.

Исследование финансировалось Министерством энергетики США.

Ученые создали великолепные светящиеся растения, которые ярко сияют на протяжении всего своего жизненного цикла : ScienceAlert

Светящаяся оранжерея нашей мечты еще так далеко, но она только что стала дразнящим толчком ближе.

Ученые генетически сконструировали растение, обладающее не только видимым свечением, но и самоподдерживающимся свечением, которое длится в течение всего жизненного цикла растения.

Это потрясающее улучшение по сравнению с предыдущими светящимися растениями. Он ярче, чем предыдущие растения табака, полученные с помощью генной инженерии, и его не нужно подкармливать химическими веществами для поддержания люминесценции. Также продолжительность свечения намного больше, чем у светящихся растений, полученных с помощью растительной нанобионики.

Конечно, все мы сразу же представляем захватывающий дух ночной сад в стиле Аватар , сверкающий и мерцающий в темноте, и — в будущем — снижающий нашу зависимость от электрического освещения.

Но светящаяся зелень также может помочь нам понять сами растения — как работает их метаболизм и как они реагируют на окружающий мир.

Команда работала над двумя видами табачных растений. И, в отличие от предыдущих генно-инженерных светящихся растений, в которых использовались биолюминесцентные бактерии или ДНК светлячков, эти растения были созданы с использованием ДНК биолюминесцентных грибов.

«Хотя бактериальные гены биолюминесценции могут быть нацелены на пластиды для создания автолюминесценции, это технически громоздко и не дает достаточного количества света», — пишут исследователи в своей статье.

«Цикл кофейной кислоты, который представляет собой метаболический путь, ответственный за люминесценцию в грибах, был недавно охарактеризован. Мы сообщаем об эмиссии света в растениях Nicotiana tabacum и Nicotiana benthamiana без добавления какого-либо экзогенного субстрата путем инженерии генов биолюминесценции грибов. в ядерный геном растений».

Только в конце 2018 года группа исследователей (многие из которых также работали над этим новым исследованием) опубликовала статью о биосинтезе грибкового люциферина, соединений, которые вызывают свечение у люминесцентных грибов.

Они обнаружили, что эти грибы синтезируют люциферин из соединения, называемого кофейной кислотой, на которое воздействуют четыре фермента. Два фермента превращают кофейную кислоту в люминесцентный предшественник; третий фермент окисляет этот предшественник с образованием фотона. Затем четвертый фермент превращает молекулу обратно в кофейную кислоту, которую можно повторно использовать в том же процессе.

И здесь все становится интереснее, потому что кофеиновая кислота (не имеющая отношения к кофеину) содержится во всех растениях. Это ключ к биосинтезу лигнина, древесного полимера, который придает жесткость и прочность клеточным стенкам растений.

Команда пришла к выводу, что, таким образом, возможно генетически спроектировать растения, чтобы перераспределить часть их кофейной кислоты на биосинтез люциферина, как это наблюдается у биолюминесцентных грибов.

Они смешали свои растения табака с четырьмя генами грибов, связанными с биолюминесценцией, и тщательно их культивировали. И они обнаружили, что растения светились светом, видимым невооруженным глазом, от всходов до зрелости — без видимой потери здоровья растения.

«Общий фенотип, содержание хлорофилла и каротиноидов, время цветения и прорастание семян не отличались от табака дикого типа в теплице, за исключением 12-процентного увеличения средней высоты трансгенных растений», — написали исследователи в своем отчете. бумага.

«Это говорит о том, что, в отличие от экспрессии бактериальной биолюминесценции, экспрессия цикла кофейной кислоты не токсична для растений и не оказывает очевидной нагрузки на рост растений, по крайней мере, в теплице».

Они обнаружили, что молодые части растения светились ярче всего, а цветы росли ярче всех. По словам исследователей, они производили около миллиарда фотонов в минуту. Этого недостаточно для чтения, но он достаточно яркий, чтобы его было хорошо видно.

Он также примерно в 10 раз ярче, чем другие генетически модифицированные светящиеся растения, говорят исследователи. Это не самое яркое растение; эта честь принадлежит кресс-салату, полученному учеными из Массачусетского технологического института с использованием техники, называемой растительной нанобионикой, которая производила свечение со скоростью около триллиона фотонов в секунду… но это продолжалось всего 3,5 часа.

Ученые обнаружили, что это новое долговременное самоподдерживающееся свечение может служить индикатором того, как растения реагируют на внешнюю среду. Например, когда они помещали рядом банановую кожуру, растения светились ярче в ответ на испускаемый этилен.

Также наблюдается мерцание и волны света, вызванные внутренними метаболическими процессами, которые обычно скрыты, что позволяет предположить, что это исследование может быть интересным способом изучения здоровья растений.

«Благодаря автономному излучению света можно отслеживать динамические процессы в растениях, включая развитие и патогенез, реакцию на условия окружающей среды и эффекты химической обработки», — пишут исследователи в своей статье.

«Поскольку устраняется необходимость экзогенного добавления люциферина или других субстратов, эти люминесцентные свойства должны быть особенно полезны для экспериментов с растениями, выращенными в почве».

Тем временем команда работает над расширением исследований. У них есть генетически модифицированные популярные цветущие растения, такие как барвинки, петунии и розы. Они также пытаются создать еще более яркое свечение и разные цвета. И они думают намного, намного шире.

«Хотя кофейная кислота не является естественной для животных, автономное свечение также может быть активировано у животных», — написали они.

Разве и не будут чем-то.

Исследование опубликовано в Nature Biotechnology .

Растения с генетически закодированной автолюминесценцией

Abstract

Автолюминесцентные растения, сконструированные для экспрессии кластера генов бактериальной биолюминесценции в пластидах, не получили широкого распространения из-за низкой светоотдачи. Мы разработали растения табака с системой грибковой биолюминесценции, которая превращает кофейную кислоту (присутствующую во всех растениях) в люциферин и сообщает о самоподдерживающейся люминесценции, видимой невооруженным глазом. Наши результаты могут лежать в основе разработки набора инструментов для визуализации растений.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Расширение репортерных систем люциферазы для бесклеточной экспрессии белков

  • Вакана Сато
  • , Мелани Расмуссен
  •  … Катаржина П. Адамала

  Научные отчеты
  Открытый доступ
  07 июля 2022 г.

• Текущие и будущие достижения в области флуоресцентной визуализации компонентов клеточных стенок растений и механизмов биосинтеза клеточных стенок

  • Брайан Т. ДеВри
  • , Лиза М. Штайнер
  •  … Юзеф Мравец

  Биотехнология для биотоплива
  Открытый доступ
  29 марта 2021 г.

• Антоцианин, новый и удобный репортер для удобного, неразрушающего, недорогого, прямого визуального отбора трансгенных волосатых корней при изучении симбиоза ризобий и бобовых.

  • Yinglun Fan
  • , Xiuyuan Wang
  •  … Шаньхуа Лю

  Растительные методы
  Открытый доступ
  06 июля 2020 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

99,00 €

только 8,25 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

$32,00

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Грибковая биолюминесцентная система. Рис. 2: Биолюминесцентные растения в процессе развития.

Доступность данных

Наборы данных, созданные или проанализированные в текущем исследовании, можно получить у соответствующих авторов по обоснованному запросу. Необработанные изображения люминесцентных цветов, снятые на камеру Sony Alpha ILCE-7M3 и компьютерную томографию IVIS Spectrum, доступны на сайте Figshare (https://doi. org/10.6084/m9)..figshare.11353601). Последовательности плазмид доступны в Genbank под следующими инвентарными номерами: pHpaB-C1, MT233533; pHpaC-C1, МТ233534; pnnCPH-C1, MT233535; pnnh4H-C1, МТ233536; pnnHispS-C1, MT233537; pnnLuz-C1, MT233538; pnpgA-C1, MT233539; pRCTAL-C1, MT233540; рХ037, МТ233541. Результаты секвенирования Sanger и Illumina доступны в качестве дополнительных данных.

История изменений

• 04 июня 2020 г.

  Опубликовано исправление к данному документу: https://doi.org/10.1038/s41587-020-0578-0

Ссылки

1. Кричевский, А., Мейерс, Б., Вайнштейн, А., Малига, П. и Цитовски, В. PLoS ONE 5 , e15461 (2010).

   Артикул

   Google ученый

2. Котлобай А.А. и др. Проц. Натл акад. науч. США 115 , 12728–12732 (2018).

   КАС
   Статья

   Google ученый

3. «>

   Yan, Y. & Lin, Y. Биосинтез кофейной кислоты и производных кофейной кислоты рекомбинантными микроорганизмами. Патент США 8809028B2 (2012 г.).

4. Кавамата, С. и др. Физиол клеток растений. 38 , 792–803 (1997).

   КАС
   Статья

   Google ученый

5. Гакерель, Э., Гулати, Дж. и Болдуин, И. Т. Plant J. 79 , 679–692 (2014).

   КАС
   Статья

   Google ученый

6. Toyota, M. et al. Наука 361 , 1112–1115 (2018).

   КАС
   Статья

   Google ученый

7. Singh, S.K. et al. наук. Респ. 5 , 18148 (2015).

   КАС
   Статья

   Google ученый

8. Ли, Л. и др. наук. Респ. 6 , 37976 (2016).

   КАС
   Статья

   Google ученый

9. Li, W. et al. наук. Респ. 7 , 12126 (2017).

   Артикул

   Google ученый

10. Ву, Х. Р., Ким, Х. Дж., Нам, Х. Г. и Лим, П. О. J. Cell Sci. 126 , 4823–4833 (2013).

    КАС
    пабмед

    Google ученый

11. Pauwels, L. et al. Проц. Натл акад. науч. США 105 , 1380–1385 (2008).

    КАС
    Статья

    Google ученый

12. Bernards, M. A. & Båstrup-Spohr, L. Индуцированная устойчивость растений к травоядным (Springer, 2008).

13. Сингх, Р., Растоги, С. и Двиведи, ООН Compr. Преподобный Food Sci. Пищевая безопасность 9 , 398–416 (2010).

    КАС
    Статья

    Google ученый

14. «>

    Weber, E., Engler, C., Gruetzner, R., Werner, S. & Marillonnet, S. PLoS ONE 6 , e16765 (2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

15. Айверсон С.В., Хэддок Т.Л., Бил Дж. и Денсмор Д.М. ACS Synth. биол. 5 , 99–103 (2016).

    КАС
    Статья

    Google ученый

16. Лазо, Г. Р., Штейн, П. А. и Людвиг, Р. А. Биотехнология 9 , 963–967 (1991).

    КАС
    Статья

    Google ученый

17. Rogers, S. O. & Bendich, A. J. Руководство по молекулярной биологии растений (Springer, 1994).

Скачать ссылки

Благодарности

Это исследование было разработано, проведено и профинансировано ООО «Планта». Мы благодарим К. Вуда за помощь в разработке рукописи. Планта выражает благодарность Инновационному центру «Сколково» за поддержку. Мы благодарим Д. Болотина и Милабораторию (milaboratory.com) за доступ к вычислительной инфраструктуре и инфраструктуре хранения. Благодарим С. Шахова за предоставленную фототехнику. Группа синтетической биологии финансируется Лондонским институтом медицинских наук MRC (UKRI MC-A658-5QEA0, KSS). К.С.С. поддерживается исследовательской стипендией Имперского колледжа. Эксперименты частично выполнены на оборудовании, предоставленном Базовым фондом Института биоорганической химии РАН (БХП ИБХ; поддержан грантом Минобрнауки России RFMEFI62117X0018). Ф.А.К. лаборатория поддерживается соглашением о гранте ERC 771209—ЧарФЛ. Этот проект получил финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза в рамках Соглашения о гранте Марии Склодовской-Кюри 665385. K.S.S. признает поддержку президентским грантом 075-15-2019-411. Дизайн и сборка некоторых плазмид поддержаны грантом РНФ 19-74-10102. Эксперименты по визуализации частично поддержаны грантом РНФ 17-14-01169р. ЖХ-МС/МС анализы экстрактов были поддержаны грантом РНФ 16-14-00052р. Дизайн и сборка плазмид частично поддержаны грантом 075-15-2019-1789 от Министерства науки и высшего образования Российской Федерации выделен Центру точного редактирования генома и генетических технологий для биомедицины. Авторы выражают признательность Центру геномики Сколковского института науки и технологий за работу по секвенированию и биоинформационному анализу.

Информация об авторе

Примечания автора

1. Авторы внесли одинаковый вклад: Татьяна Митюшкина, Александр С. Мишин, Луиза Гонсалес Сомермейер, Надежда М. Маркина, Илья В. Ямпольский, Карен С. Саркисян.

Авторы и аффилированные лица

1. ООО «Планта», Москва, Россия

   Митюшкина Татьяна Владимировна, Мишин Александр Сергеевич, Маркина Надежда Михайловна, Чепурных Татьяна Владимировна, Чепурных Татьяна Александровна, Каратаева Е.С., Палкина Е.К. Шахова, Лилия И. Фахранурова, Софья В. Чекова, Александра Сергеевна Царькова, Олеся А. Мельник, Александр Сергеевич Пушин, Илья Владимирович Ямпольский и Карен Сергеевич Саркисян

2. Институт биоорганической химии им. наук, Москва, Россия

   Митюшкина Татьяна, Мишин Александр Сергеевич, Маркина Надежда Михайловна, Чепурных Татьяна Владимировна, Гугля Елена Борисовна, Каратаева Татьяна Александровна, Палкина Ксения Александровна, Шахова Екатерина Сергеевна, Фахранурова Лилия Ивановна, Царькова Александра Сергеевна, Дмитрий Шлыков, Олеся А. Мельник, Виктория О. Шипунова, Сергей М. Деев, Андрей И. Бубырев, Александр Сергеевич Пушин, Сергей В. Долгов, Илья Владимирович Ямпольский и Карен Сергеевич Саркисян

3. Институт науки и Technology Austria, Клостернойбург, Австрия

   Луиза Гонсалес Сомермейер и Фёдор А. Кондрашов

4. Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова, Москва, Россия

   Елена Б. Гугля, Ярослав В. Голубев, Вадим В. Негребецкий и Илья В. Ямпольский

   3

   5 Институт Биофизика, Красноярский научный центр СО РАН, Красноярск, Россия

   Царькова Александра Сергеевна

5. ООО «Айвок», Зеленоград, Москва, Россия

   Сергей А. Долгушин и Павел В. Шалаев

6. Ботанический сад Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

   Владимир В. Чуб

7. Группа синтетической биологии, MRC Лондонский институт медицинских наук, Лондон, Великобритания

   Саркисян Карен С.

8. Институт клинических наук медицинского факультета и Центр синтетической биологии Имперского колледжа, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания

   Саркисян Карен С.

Авторы

1. Татьяна Митюшкина

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. Александр Сергеевич Мишин

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

3. Louisa Gonzalez Somermeyer

   Просмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

4. Маркина Надежда Михайловна

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. Татьяна В. Чепурных

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

6. Гугля Елена Борисовна

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

7. Каратаева Татьяна Анатольевна

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

8. Ксения А. Палкина

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

9. Екатерина С. Шахова

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

10. Лилия Ивановна Фахранурова

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

11. София В. Чекова

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

12. Александра Сергеевна Царькова

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Академия

13. Голубев Ярослав Васильевич

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

14. Вадим В. Негребецкий

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

15. Сергей А. Долгушин

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Академия

16. Шалаев Павел Васильевич

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

17. Дмитрий Шлыков

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

18. Мельник Олеся Александровна

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

19. Шипунова Виктория Олеговна

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

20. Сергей М. Деев

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

21. Андрей Иванович Бубырев

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

22. Пушин Александр Сергеевич

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

23. Владимир В. Чуб

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

24. Сергей В. Долгов

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

25. Кондрашов Ф.А.

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

26. Илья В. Ямпольский

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

27. Карен С. Саркисян

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

Взносы

T.M., A.S.M., L.G.S., T.V.C., E.B.G., T.A.K., N.M.M., S.V.C., A.S.T., L.I.F., K.A.P., E.S., Y.V.G., V.V.N. и К.С.С. проводили опыты. T.M., A.S.M., L.G.S., T.V.C., E.B.G., T.A.K., N.M.M., S.V.C., A.S. T., L.I.F., K.A.P., E.S.S., Y.V.G., V.V.N., S.A.D., A.V. и К.С.С. провел анализ данных. КАК М. разработал установку для визуализации, спланировал и провел эксперименты, проанализировал данные и написал статью. И.В.Ю. и К.С.С. предложил и руководил исследованием, планировал эксперименты и написал статью. Все авторы рассмотрели и прокомментировали проект статьи.

Авторы переписки

Переписка с
Илья В. Ямпольский или Карен С. Саркисян.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Работа выполнена при поддержке ООО «Планта». И.В.Ю. и К.С.С. являются акционерами и сотрудниками Planta. Планта подала патентные заявки, связанные с использованием компонентов грибковой биолюминесцентной системы и разработкой светящихся трансгенных организмов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Интегрированная дополнительная информация

Дополнительная информация Рисунок 1. Инженерия автономной люминесценции в клетках млекопитающих.

и . Наложение фонового света (черно-белое) и люминесцентных (псевдоцветных) изображений многолуночного планшета с клетками HEK293T, котрансфицированными плазмидами, кодирующими гены пути биолюминесценции грибов и биосинтеза кофейной кислоты: rctal, hpab, hpac, nnhisps, npga, nnh4h, nncph, nnluz . Репрезентативное люминесцентное изображение трех независимых экспериментов. б . Световая эмиссия автолюминесцентных клеток в стандартной среде МЕМ с 20 мМ HEPES и в той же среде с добавлением кофейной кислоты. Точки данных были собраны в трех независимых экспериментах.

Дополнительный рисунок 2.

Структура плазмиды, используемой для создания линий растений с самоподдерживающейся люминесценцией.

Дополнительный рисунок 3. Фенотип светящегося и дикого типа

Nicotiana tabacum растения.

Горшечные светящиеся растения (линия NT001) и растения дикого типа (линия NT000) одного возраста при естественном освещении ( a , b ) и в темноте ( c ). Четырехнедельные растения на панели и являются репрезентативными для 100 растений дикого типа и 100 светящихся растений, выращенных in vitro в четырех отдельных экспериментах. д . Сравнение содержания хлорофилла а, хлорофилла b и каротиноидов в листьях, размерах листьев и высоте растений 8-недельных растений трансгенной линии NT001 и линии дикого типа NT000. Рамки простираются от нижнего к верхнему квартилю данных, оранжевая линия представляет собой медиану. Усы представляют полный диапазон данных. Точные размеры выборки указаны над каждым прямоугольным графиком, статистика (U) и p-значения двунаправленного U-критерия Манна-Уитни отмечены в нижней правой части каждого графика.

Дополнительная фигура 4. Биолюминесцентные растения

Nicotiana tabacum и Nicotiana benthamiana .

a и b — фотографии растений в горшках при естественном освещении и в темноте, соответственно, снятые камерой Sony Alpha ILCE-7M3. Листья, отмеченные розовыми треугольниками на а , а также контрольные листья растений дикого типа затем срезали и визуализировали в IVIS Spectrum CT при естественном освещении и в темноте отдельно для Nicotiana tabacum 9.0211 ( c , d ) и Nicotiana benthamiana ( e , f ). Черную бумажную коробку вокруг контрольных листьев, видимых на изображениях c и e , использовали для предотвращения освещения листьев контрольных растений светом, излучаемым трансгенными растениями. Все изображения соответствуют одному эксперименту, выполненному на трех светящихся и одном диком типе Nicotiana tabacum , а также на трех светящихся и одном диком типе Nicotiana benthamiana 9.0211 растений.

Дополнительный рисунок 5. Цветы, собранные из линий дикого типа и биолюминесцентных

Nicotiana tabacum и Nicotiana benthamiana , изображение на IVIS Spectrum CT.

Nicotiana tabacum ( a , b ) и Nicotiana benthamiana ( c , d ). a и c — фотографии при естественном освещении, b и d — фотографии в темноте. Черная бумажная коробка вокруг контрольных цветов видна на изображениях 9.0296 а и с использовали для предотвращения освещения цветков контрольных растений светом, излучаемым трансгенными растениями. Все изображенные цветы были случайным образом собраны с разных растений в одном эксперименте по визуализации (6 светящихся и 3 растения дикого типа Nicotiana tabacum , 6 светящихся и 4 растения Nicotiana benthamiana дикого типа).

Дополнительный рисунок 6. Количественное сравнение светового излучения цветков

Nicotiana tabacum (правая сторона каждой фотографии) и Nicotiana benthamiana (левая сторона каждой фотографии).

a и b представляют собой изображения при естественном освещении и в темноте, полученные с помощью IVIS Spectrum CT. c и d — это изображения одних и тех же цветов при естественном освещении и в темноте, снятые на камеру Sony Alpha ILCE-7M3. На c и d цветы были изображены вместе с калиброванным источником света XLS-4, который излучает 1,6*10 ⁹ фотонов/сек при 525 нм. Этот откалиброванный источник света был отдельно отображен на IVIS Spectrum CT, см. Figshare (doi: 10,6084/m9)..figshare.11871888) для необработанных файлов. Все цветы были собраны с разных растений в одном эксперименте по визуализации (14 светящихся растений Nicotiana tabacum и 13 светящихся растений Nicotiana benthamiana ).

Дополнительный рисунок 7. Выбор области интереса для анализа светового излучения цветов, используемого для получения значений яркости в дополнительной таблице 1 (обратите внимание, что числа на изображении представляют собой общий поток фотонов в секунду для каждой области интереса, а не среднюю яркость) .

Анализ нормализованного общего потока в обозначенных ROI доступен на Figshare (doi: 10. 6084/m9.figshare.11871888). Цветы, показанные на этой фигуре, такие же, как и на дополнительной фигуре 6 .

Дополнительный рисунок 8. Фотографии светящегося растения

Nicotiana benthamiana , сделанные на смартфон при естественном освещении и в темноте с выдержкой 30 секунд.

( A ) Снято на смартфон при естественном освещении. ( Б ) Снято в темноте с выдержкой 30 секунд. Изображения являются результатом одного эксперимента.

Дополнительный рисунок 9. Инфильтрация листьев

Nicotiana benthamiana растворами предшественников гиспидина.

А . Типичная фотография трансгенных биолюминесцентных листьев Nicotiana benthamiana , которым вводили раствор индивидуальных предшественников гиспидина. Изображения являются репрезентативными для четырех экспериментов, повторенных независимо друг от друга с аналогичными результатами Б, С . Инъекции гиспидина и люциферина в листья биолюминесцентных и диких растений N. benthamiana . Эксперимент был повторен дважды независимо с аналогичными результатами. Д . Блочные диаграммы, показывающие реакцию люминесценции в местах инъекций смесей предшественников гиспидина различного состава. Показаны точки данных. Изменение люминесценции – это абсолютное изменение сигнала (ΔL = люминесценция после инъекции – начальная люминесценция). Зачеркнутый текст подчеркивает отсутствие соединения в смеси. Примечательно, что только смеси, содержащие кофейную кислоту, вызывали усиление люминесценции. Поле простирается от нижнего к верхнему квартилю значений данных, оранжевая линия представляет собой медиану. Усы представляют полный диапазон данных. Группы, содержащие несколько реагентов (H-критерий Крускала-Уоллиса, H-статистика = 48,59)., p=7,11e-10) и отдельные потенциальные реагенты (H-критерий Крускала-Уоллиса, H-статистика: 68,65, p=8,3e-15) анализировали отдельно. P-значения апостериорных парных U-тестов Манна-Уитни, подчеркивающих влияние кофейной кислоты на люминесцентный отклик, указаны под скобками между диаграммами E . Влияние трех последовательных инъекций предшественников люциферина на интенсивность свечения листьев N. benthamiana .

Доп. рисунок 10.

Фото в разрезе цветов из светящегося Nicotiana tabacum растение при рассеянном свете ( A ) и в темноте ( B ). Изображения двух цветов разных растений, изображенные на рисунке, являются репрезентативными для шести срезанных цветов трех растений.

Дополнительный рисунок 11. Динамика биолюминесценции после повреждений листьев.

А . Репрезентативное изображение листа до травмы. Б . Фото места разреза крупным планом. С . Динамика биолюминесценции в месте разреза после травмы (время экспозиции — 5 секунд). Масштабная линейка соответствует 1 см. Видео версия панели C доступен как дополнительное видео 7. Эксперимент с повреждением листьев был повторен трижды с аналогичными результатами.

Дополнительный рисунок 12. Устойчивое увеличение биолюминесценции боковых побегов, вызванное обрезкой.

А . Фото при рассеянном свете. Боковые побеги отмечены желтыми стрелками. Срез выделен желтой пунктирной линией на увеличенном фото (внизу). Б . Фото сделано в темноте. Изображения являются репрезентативными для двух экспериментов по визуализации, проведенных на шести растениях с аналогичными результатами.

Дополнительный рисунок 13. Динамика люминесценции у целых растений.

и . Фотография трансгенного растения Nicotiana tabacum , опрысканного 5 мМ раствором метилжасмоната или буфером (контроль) до и после обработки. Два изображенных растения являются репрезентативными для шести растений, проанализированных в трех независимых экспериментах по визуализации. б . Фотография трансгенного растения Nicotiana tabacum , инкубированного в закрытом флаконе со спелой кожурой банана. Два изображенных растения являются репрезентативными для четырех растений, проанализированных в двух независимых экспериментах по визуализации. с . Суточные колебания люминесценции. Фотографии трех растений снимались постоянно в течение десяти дней в условиях нормального освещения (17,5 ч в день; дни 1-3 и 8-10) или в постоянной темноте (дни 4-7). Каждое изображение растения 1 было сжато в одну вертикальную линию пикселей для создания кимограммы. Средняя яркость растений 1-3 отображается на графике. График в дни 1-3 репрезентативен для девяти растений в трех независимых экспериментах. Полный график (дни 1-10) показывает свечение трех растений в одном эксперименте. Псевдоцвет используется для визуальной ясности.

Дополнительная фигура 14. Саузерн-блот ДНК, выделенной из различных светящихся трансгенных линий табака, с отжигом зонда до гена

nnluz .

и . Саузерн-блот ДНК, выделенной из различных светящихся трансгенных линий табака, с отжигом зонда до гена nnluz . Результаты блота свидетельствуют о наличии двух копий гена nnluz в геноме линии NT001 (используемой для всех экспериментов N. tabacum в данном исследовании). Саузерн-блоттинг получен из одного эксперимента, проведенного на образцах ДНК, выделенных из пяти линий трансгенных растений и одной контрольной линии. б . Необработанное изображение полного сканирования того же пятна.

Дополнительный рисунок 15. Закономерности динамики биолюминесценции в листьях молодых светящихся растений.

Наложение фотографий при естественном освещении и в темноте показано на A . Динамика люминесценции двух растений, отмеченных квадратом на А, отображается на В . Видеоверсия панели B доступна в качестве дополнительного видео 9. Изображения на панели B представляют шесть растений в этом эксперименте, и был проведен еще один цейтраферный эксперимент с тремя растениями с аналогичными результатами.

Дополнительный рисунок 16. Фотографии поперечного сечения стебля светящегося растения

Nicotiana tabacum при естественном освещении и в темноте.

( A ) При внешнем освещении. ( B ) в темноте. Мощное свечение принадлежит клеткам паренхимы сердцевины побега (в центре стебля). Более слабая биолюминесценция наблюдается у клеток сердцевинной паренхимы (периферия стебля). Максимальная интенсивность света соответствует области пазушной почки — новообразованной меристеме — и окружающим паренхиматозным клеткам. Полностью одревесневшие ткани, ксилема и флоэма, с камбием между ними, лишены люминесценции (заметна на правой стороне стебля в виде темной полосы). Изображения представляют два эксперимента с аналогичными результатами.

Дополнительная фигура 17. Экспрессия

nnluz в N. tabacum в течение дня, измеренная с помощью количественной ПЦР на 9 образцах кДНК, полученных из растений, выращенных в условиях естественного освещения.

Все точки данных, включая технические повторы, показаны точками, каждый цвет соответствует разному биологическому образцу. Синие точки представляют собой средние значения Ct в каждый момент времени. Эксперимент проводился один раз.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Дополнительные рис. 1–17, таблицы 1–3 и примечания 1–7.

Резюме отчета

Дополнительное видео 1

Введение гиспидина в листья автономно люминесцентного N. tabacum. Покадровая люминесцентная визуализация после инъекции гиспидина (в центральную область верхней части пластинки) и кофейной кислоты (в апикальную часть) листьев автономно люминесцентного N. tabacum . Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Видео представляет два эксперимента по визуализации, проведенных на шести растениях.

Дополнительное видео 2

Проращивание семян T1. Покадровая визуализация трансгенных семян N. tabacum T1, прорастающих в прозрачном агаре. Показано наложение фотографий в рассеянном свете (серый) и свечении (псевдоцвет). Видео пяти прорастающих семян является репрезентативным для двух экспериментов по визуализации с аналогичными результатами (всего 32 проростка).

Дополнительное видео 3

Регенерация корней. Покадровая люминесцентная визуализация регенерирующих корней срезанных побегов трансгенных растений N. tabacum (фото каждые 5 мин). Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Видео корней двух отдельных растений является репрезентативным для трех независимых экспериментов по визуализации шести растений.

Дополнительное видео 4

Микроскопия корня. Покадровая микроскопия люминесцентного изображения регенерирующих корней срезанных побегов трансгенных растений N. tabacum (фотографии каждые 5 мин). Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Видео показывает корни отдельного растения и является репрезентативным для двух независимых экспериментов по визуализации с большим увеличением с аналогичными результатами.

Дополнительное видео 5

Длительная съемка всей жизни растений. Покадровая визуализация трансгенных растений N. tabacum от вегетации до цветения. Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Желтые звездочки обозначают дневное время. Эта длительная покадровая съемка является результатом одного эксперимента

Дополнительное видео 6

Покадровая съемка цветов. Покадровая люминесценция цветков автономно люминесцентного N. tabacum . Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Изображенные цветы одного растения являются репрезентативными для экспериментов по визуализации с аналогичными результатами.

Дополнительное видео 7

Повреждения листьев у N. tabacum. Покадровая люминесцентная визуализация после повреждения листовой пластинки автономно люминесцентного N. tabacum . Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Опыт с повреждением листьев был повторен трижды с аналогичными результатами.

Дополнительное видео 8

Динамическое свечение после обрезки. Покадровая люминесцентная визуализация индуцированных обрезкой боковых побегов автономно люминесцентного Н. табакум . Интенсивность люминесценции показана псевдоцветом. Видео представляет два эксперимента по замедленной визуализации, проведенных на шести растениях с аналогичными результатами.

Дополнительное видео 9

Динамические закономерности свечения листьев молодых растений. Закономерности динамики биолюминесценции листьев молодых светящихся растений. Время относительно начала дня (формат +ЧЧ), а также абсолютное время (формат ЧЧ:ММ) отображается в левом нижнем углу видео. Видео представляет два эксперимента по визуализации с аналогичными результатами.

Дополнительные данные

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Крошечный, но яркий

  • Такехару Нагаи
  • Мицуру Хаттори

  Nature Reviews Chemistry (2022)

• Расширение репортерных систем люциферазы для бесклеточной экспрессии белков

  • Вакана Сато
  • Мелани Расмуссен
  • Катажина П. Адамала

  Научные отчеты (2022)

• Бактериальный биолюминесцентный анализ для биоанализа и биоимиджинга

  • Яохуа Ли
  • Синью Хэ
  • Вэй Ван

  Аналитическая и биоаналитическая химия (2022)

• Текущие и будущие достижения в области флуоресцентной визуализации компонентов клеточных стенок растений и механизмов биосинтеза клеточных стенок

  • Брайан Т ДеВри
  • Лиза М Штайнер
  • Юзеф Мравец

  Биотехнология для производства биотоплива (2021)

• Дизайн материалов с помощью синтетической биологии

  • Цзы-Чие Тан
  • Болин Ан
  • Чао Чжун

  Материалы Nature Reviews (2021)

Ученые создали светящиеся в темноте растения | Си-Эн-Эн

Ученые говорят, что нашли способ изменить ДНК растений, чтобы заставить их светиться в темноте.

MRC ЛОНДОНСКИЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКИХ НАУК

Си-Эн-Эн
—

Поклонники фильма «Аватар» давно мечтают о пышных джунглях, изобилующих светящимися растениями.

Но флуоресцентная листва больше не может быть предметом научной фантастики, поскольку ученые нашли способ выращивать светящиеся в темноте растения, которые излучают и сохраняют таинственный зеленый свет на протяжении всего своего жизненного цикла.

Биолюминесценция — испускание света организмом — встречается у широкого круга животных и микроорганизмов, включая некоторые грибы, насекомые, рыбы, морские беспозвоночные и бактерии.

Некоторые из самых известных примеров этого явления включают мерцание светлячков или крушение электрических синих волн в тропических морях.

Обнаружив, что биолюминесценция, обнаруженная в некоторых грибах, метаболически похожа на некоторые естественные процессы, наблюдаемые в растениях, ученые смогли перенести последовательности ДНК в растения табака, заставив их излучать ярко-зеленое свечение. Исследователи обнаружили, что это свечение длится на протяжении всего жизненного цикла растения, от рассады до зрелости.

Вставив ДНК, полученную из биолюминесцентных грибов, ученые смогли создать растения, которые сохраняли зеленоватое свечение.

MRC ЛОНДОНСКИЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКИХ НАУК

«Мы показываем, что можно перенести четыре гена из этих светящихся грибов в растения — и связать их с метаболизмом растений — так, чтобы растения начали светиться в темноте», — Карен Саркисян, один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журналу Nature Biotechnology в понедельник, сообщил CNN.

Кэтрин Вандер

Исследование показало, что взросление в высокогорной местности может снизить риск хронических заболеваний

В отличие от других технологий люминесценции, сказал он CNN, недавнее открытие команды позволит растениям светиться в темноте без необходимости использования внешних химических веществ.

По словам исследователей, эту технологию можно использовать для различных целей, в том числе для создания декоративных светящихся растений и цветов.

Свет, излучаемый растениями, также можно использовать для изучения их внутренней работы — исследователи заметили мерцающие узоры и волны света в организмах, раскрывающие поведение растений, которое обычно не наблюдается.

На этой фотографии, сделанной 21 июля 2016 года, светлячки освещают участок леса в Мексике. Время от времени сотни биолюминесцентных жуков синхронизируют свои огни, мигая и выключаясь в идеальном ритме. Нажмите на галерею, чтобы увидеть другие биолюминесцентные организмы.

Rebecca Blackwell/AP

Каждый год Watasenia scintillans, или кальмары-светлячки, поднимаются из глубоких вод у побережья Японии для спаривания.

Данте Фенолио/Photo Researchers RM/Getty Images

Трубчатые анемоны имеют несколько разных цветов, что делает их популярным элементом домашних аквариумов.

Ethan Daniels/WaterFrame RM/Getty Images

Noctiluca scintillans или морская искра — это крупный биолюминесцентный и нетоксичный фитопланктон, который заставляет море светиться. Это относительно распространено в Гонконге, но редко удается запечатлеть его переливающееся свечение на камеру. Он появляется только тогда, когда вода нарушена или экосистема вышла из равновесия.

Visuals Unlimited, Inc./Вим ван /Getty Images

Светятся не только морские существа. Некоторые грибы тоже. Omphalotus nidiformis или призрачный гриб в основном встречается в Австралии. Он использует технику биолюминесценции, разработанную некоторыми организмами для создания энергии в форме света посредством химической реакции.

Auscape/UIG/Universal Images Group/Getty Images

Пелагический осьминог или осьминог открытого океана в основном встречается на Гавайях. Режиссер-документалист Мартин Дорн разработал специальную камеру для улавливания биолюминесценции, потому что, по его словам, она была «… предназначена для работы на самых пределах зрения животных, что далеко за пределами возможностей большинства камер».

Джефф Ротман/Photographer’s Choice/Getty Images

Флуоресцентная ящерица светится, чтобы общаться с другими рыбами? В океане происходит световое шоу, которое вы, возможно, не сможете увидеть, но многие рыбы смогут. Открытие того, что скрыто от человеческого глаза — биофлуоресценции у 180 видов рыб — ставит этот и множество вопросов перед исследователями.

Борут Фурлан/WaterFrame RM/Getty Images

Гребенчатая медуза, возникшая более 500 миллионов лет назад, может излучать и отражать свет, согласно данным Национального исследовательского института генома человека.

Reinhard Dirscherl/ullstein bild/Getty Images

Вместо того, чтобы излучать только синий свет, как большинство других биолюминесцентных морских животных, рыба-дракон также излучает красный свет. Хотя красный свет не распространяется так далеко, он позволяет рыбе-дракону видеть свою добычу незамеченной.

Данте Фенолио/Photo Researchers RM/Getty Images

В то время как биолюминесценция происходит во всем мире природы, Саркисян сказал CNN, что растения ранее не проявляли этого явления.

«Мы склонны не замечать растения, мы склонны не ценить, насколько они сложны или живы. Они посылают много разных сигналов, интегрируются и принимают множество решений по развитию, и мы их не очень ценим», — сказал он.

Плавающие горы украшают небо, а экзотические растения заполняют красочный ландшафт Пандоры — мира Аватара в Диснеевском царстве животных. Pandora приносит в парк множество впечатлений, в том числе семейный аттракцион Na’vi River Journey, захватывающий аттракцион Flight of Passage, а также новые места с едой, напитками и товарами. «Царство животных Диснея» — один из четырех тематических парков курорта Уолта Диснея в Лейк-Буэна-Виста, штат Флорида. (Дэвид Рорк, фотограф)

Дэвид Рорк/DISNEY

Первый взгляд на новую «Пандору: Мир Аватара» от Disney

«Заставляя их светиться, вы каким-то образом строите новые отношения с растениями, и вам становится намного легче оценить, насколько они живы», — добавил он.

В ходе совместных исследований ученые говорят, что им удалось создать растения, которые светятся «в десять раз» ярче, не повреждая листву.

Они говорят, что другие растения, в том числе петунии, розы и барвинки, можно приспособить, чтобы они светились, и что в будущем растения можно будет приспособить даже к изменению своего цвета, яркости или даже реакции на окружающую среду.

Эти светящиеся растения однажды смогут осветить наши дома | В Смитсоновском институте

Ученые биоинженерно изобрели живые растения, чтобы они излучали свет.
Массачусетский технологический институт

В квартире кирпичного многоквартирного дома народ устраивает вечеринку. Они улыбаются и болтают друг с другом; они пьют коктейли и жуют закуски. Но освещение настроения немного странное. Здесь нет свечей или мерцающих рождественских огней. Вместо этого свет исходит от огромных светящихся зеленым растений в центре стола.

Что?

Мы должны объяснить: это модель, часть экспоната внутри Смитсоновского музея дизайна Купера Хьюитта в Нью-Йорке. «Люди» — это маленькие серебряные фигурки. Но растения настоящие. Это кресс-салат с наночастицами, которые превращают накопленную энергию в свет. Это технология, разработанная несколько лет назад инженером-химиком Массачусетского технологического института Майклом Страно. Теперь Strano сотрудничает с архитектором Шейлой Кеннеди, чтобы изучить, как эти заводы могут быть частью нашего будущего устойчивой энергетики.

Эта пара является одной из 62 команд дизайнеров, участвующих в Триеннале дизайна Купера Хьюитта, посвященном инновационным способам взаимодействия человека с природой. Он продлится до января 2020 года.

Растения на выставке — это более новые, более яркие версии растений кресс-салата, разработанных Strano в 2017 году. Их свечение основано на ферменте под названием люцифераза, который дает светлячкам их свет. Страно и его коллеги, подавшие заявку на патент, поместили люциферазу и две молекулы, позволяющие ей работать, внутрь носителя наночастиц. Затем они погружали растения в жидкий раствор, содержащий частицы, и добавляли высокое давление. Давление вытолкнуло частицы в листья через крошечные поры.