Dodano: 28 kwiecień 2020r.

Naukowcy tworzą świecące rośliny przy pomocy genów grzybów

Dzięki modyfikacjom genetycznym naukowcy uzyskali rośliny, które świecą w ciemności. Nie są to pierwsze takie rośliny, ale te świecą nieprzerwanie przez cały cykl życia, od sadzonki do dojrzałości. Badaczom udało się to dzięki genom grzybów.

Naukowcy tworzą świecące rośliny przy pomocy genów grzybów

 

Bioluminescencja niektórych organizmów przenosi światło do głębin oceanu, zamienia plaże w nocne spektakle i pozwala świetlikom rozjaśniać ciemność, ale rośliny nigdy nie opanowały tej sztuki... samodzielnie. Pierwsze próby z genami świetlików zaimplementowanymi roślinom były wczesną demonstracją technologii transgenicznych, ale nowe badania znacznie poprawiły tamte osiągnięcia.

Świecące rośliny

Widząc efekty badań naukowców na myśl przychodzi świat bujnych, świecących w ciemności, bioluminescencyjnych dżungli wyobrażony w filmie Avatar. Prace uczonych mogą być wykorzystane do celów praktycznych i estetycznych, w szczególności do tworzenia świecących kwiatów i innych roślin ozdobnych. I chociaż zastąpienie lamp ulicznych świecącymi drzewami to pomysł rodem z najbardziej szalonych produkcji science fiction, to świecąca zieleń może nadać niezwykły wymiar wystroju domów. Jednak przede wszystkim to światło może być wykorzystywane przez naukowców do obserwacji aktywność roślin w sposób wcześniej niemożliwy. Może pozwolić też na natychmiastową kontrolę zdrowia roślin.

Początkowe próby wprowadzenia bioluminescencyjnych genów bakteryjnych okazały się dla roślin toksyczne. Inne powszechnie występujące formy bioluminescencji, chociażby takie jak wykorzystują świetliki, wymagają unikalnych odczynników chemicznych, aby utrzymać luminescencję. Ale badacze znaleźli inny sposób.

Odkryli, że bioluminescencja występująca w niektórych grzybach jest metabolicznie podobna do naturalnych procesów powszechnych wśród roślin. Dzięki wstawieniu DNA uzyskanego z grzyba naukowcy byli w stanie stworzyć rośliny tytoniu, które świecą o wiele jaśniej niż światło uzyskane we wcześniejszych próbach. Co więcej, rośliny zawierające DNA grzyba świecą nieprzerwanie przez cały cykl życia, od sadzonki do dojrzałości.

Wyniki badań biotechnologicznego startupu Planta z Moskwy, Instytutu Chemii Bioorganicznej Rosyjskiej Akademii Nauk, MRC London Institute of Medical Sciences oraz Institute of Science and Technology Austria, ukazały się na łamach pisma „Nature Biotechnology”.

- Trzydzieści lat temu pomogłem stworzyć pierwszą świecącą roślinę z wykorzystaniem genu świetlików. Te nowe rośliny mogą wytwarzać znacznie jaśniejszy i bardziej stabilny blask, który jest w pełni zawarty w ich kodzie genetycznym – powiedziała dr Keith Wood ze starupu Light Bio, który współpracuje z Plantą i planuje komercjalizację tej nowatorskiej technologii w ozdobnych roślinach domowych.

Geny grzybów

Projektowanie nowych cech biologicznych jest jednak bardziej złożone niż zwykłe przenoszenie części genetycznych z jednego organizmu do drugiego. Nowo dodane części muszą się przede wszystkim metabolicznie zintegrować z gospodarzem. Próby stworzenia świecących roślin z genami bakterii nie powiodły się głównie dlatego, że części bakteryjne zwykle nie działają poprawnie w bardziej złożonych organizmach.

Nieco ponad rok temu naukowcy odkryli i scharakteryzowali cykl kwasu kawowego, który jest szlakiem metabolicznym odpowiedzialnym za luminescencję u grzybów. Po raz pierwszy żywe światło zaawansowanego organizmu wielokomórkowego zostało w pełni zdefiniowane. Bioluminescencyjne grzyby syntezują lucyferyny (pigmenty zdolne do emitowania światła obecne u organizmach żywych zdolnych do bioluminescencji) właśnie z kwasu kawowego. Ale okazało się, że bioluminescencja grzybów bardzo dobrze działa u roślin. To pozwoliło badaczom stworzyć świecące rośliny, które świecą co najmniej dziesięciokrotnie jaśniej niż rośliny uzyskane we wcześniejszych próbach. Zielona luminacja osiągnięta u zmodyfikowanych roślin wytwarzana jest bez szkody dla ich zdrowia. Świeci cała roślina - liście, łodygi, korzenie i kwiaty.

Chociaż grzyby nie są ściśle związane z roślinami, ich emisja światła skupia się na cząsteczce organicznej, która jest również potrzebna roślinom do tworzenia ścian komórkowych. To cząsteczka kwasu kawowego. Wytwarza światło w cyklu metabolicznym obejmującym cztery enzymy. Dwa enzymy przekształcają kwas kawowy w luminescencyjny prekursor, który jest następnie utleniany przez trzeci enzym w celu wytworzenia fotonu. Ostatni enzym przekształca utlenioną cząsteczkę z powrotem w kwas kawowy, aby ponownie rozpocząć cykl.

Kwas kawowy jest budulcem ligniny, która pomaga zapewnić wytrzymałość mechaniczną ścian komórkowych roślin. To jeden z podstawowych składników drewna, a zarazem najpowszechniejszy zasób odnawialny na Ziemi. Jako kluczowy składnik metabolizmu roślin kwas kawowy jest również integralny z wieloma innymi niezbędnymi związkami związanymi z kolorami czy zapachami. Pomimo podobnych nazw kwas kawowy nie jest powiązany z kofeiną.

Wewnętrzne procesy roślin widoczne jak na dłoni

Łącząc produkcję światła z tą kluczową cząsteczką, blask emitowany przez rośliny zapewnia wewnętrzny wskaźnik metaboliczny. Może ujawnić stan fizjologiczny roślin i ich reakcje na środowisko. W badaniach naukowcy odkryli, że najjaśniej świecą młode rośliny, w szczególności kwiaty. Podczas wzrostu zmodyfikowanej rośliny uczeni dostrzegli fale światła czy miganie pokazujące aktywne zachowania roślin, które normalnie byłyby ukryte.

„Umożliwiając autonomiczną emisję światła, można monitorować dynamiczne procesy zachodzące w roślinach, w tym rozwój i patogenezę, reakcje na warunki środowiskowe i skutki obróbki chemicznej” - napisali naukowcy w publikacji. To może być szczególnie przydatne w różnorakich eksperymentach z roślinami.

Uczeni dostrzegli też zwiększenie bioluminescencji w odpowiedzi na czynniki zewnętrzne. Na przykład blask rośliny znacznie zwiększył się, gdy w pobliżu znalazła się skórka banana, która emituje etylen. Badacze obliczyli, że zmodyfikowane rośliny wytwarzały około miliarda fotonów na minutę. Nie jest to wystarczająco dużo chociażby do komfortowego czytania, ale światło jest wystarczająco jasne, aby być wyraźnie widoczne.

W swoich badaniach naukowcy posłużyli się roślinami tytoniu ze względu na ich stosunkowo prostą genetykę i szybki wzrost. Ale, jak twierdzą, bioluminescencję pochodzącą od grzybów można zasadniczo dostosować do większości roślin. Wstępnie sprawdzili to na barwinkach pospolitych, różach i petuniach. Uczeni zaznaczyli, że przy dalszych badaniach prawdopodobnie uda im się zwiększyć jasność bioluminescencji zmodyfikowanych roślin.

 

Źródło: MRC London Institute of Medical Sciences/Phys.org, fot. Planta