Грибные гены: как российские учёные создали светящиеся растения

Учёные из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) при участии коллег из Института науки и технологий Австрии создали генномодифицированные растения, которые ярко светятся в темноте. Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology. Работа поддержана Российским научным фондом и фондом «Сколково».

В течение последних 30 лет учёные пытались создать светящиеся растения. Для этих целей они использовали уже существующие в природе биолюминесцентные системы животных или бактерий и пытались «привить» люминесцентные свойства представителям растительного мира. Некоторые попытки, такие как использование генов бактерии Agrobacterium tumefaciens, были относительно успешными. Однако создать растения, которые могли бы ярко излучать свет на протяжении всей своей жизни, до сих пор не удавалось — гены бактерий оказались мало совместимы с генами растений.

Российские учёные из ИБХ РАН под руководством доктора химических наук, руководителя отдела биомолекулярной химии Ильи Ямпольского выбрали в качестве «донора» царство грибов. Они идентифицировали отвечающий за свечение ген гриба Neonotopanus nambi и выяснили, что он представляет собой производную кофейной кислоты — органической молекулы, необходимой растениям для строительства клеточных стенок.

• Молодые светящиеся ростки табака
• © Компания «Планта»

«В природе много светящихся организмов, однако среди царства растений их нет. Полностью расшифрованы гены для двух биолюминесцентных систем — бактерий и грибов. Бактерии очень далеки от растений эволюционно, поэтому мы использовали систему из грибов. Мы её расшифровали и вставили в растения. Грибные гены работают очень хорошо», — отметил в беcеде с RT Илья Ямпольский.

Для создания стабильно и ярко люминесцирующих растений было недостаточно просто перенести несколько выявленных генов из одного организма в другой. Работу по изменению метаболизма растений учёные сравнили с настройкой часового механизма, к которому необходимо было идеально подогнать новые детали — элементы грибной биолюминесценции.

После полной расшифровки механизма свечения гриба учёные приступили к настройке генов растений. В результате последней и самой успешной попытки им удалось создать два генетически модифицированных вида табака, которые излучали стабильную, видимую невооружённым глазом зелёную ауру. Свечение в десять раз превзошло по яркости то, что было получено в результате предыдущего эксперимента того же коллектива.

Как отмечают учёные, мощный механизм люминесценции встроен в гены и не требует химической подпитки извне, при этом устойчивое свечение не мешает растениям нормально развиваться.

• Светящийся табачный куст с цветками
• © Компания «Планта»

Также исследователи подтвердили возможность подобной модификации для других, в том числе декоративных видов растений — петунии, розы и барвинка. Как показали результаты последней работы, свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветов непрерывно на протяжении всего жизненного цикла. 

По мнению авторов, благодаря их открытию биологи смогут наблюдать за процессами внутри растений. При этом учёные полагают, что разработка найдёт применение не только в научных целях. Учёные отметили, что свечение растений постоянно меняется, образует необычные узоры и волны на листьях. Особенно яркая люминесценция наблюдается у молодых побегов и цветов. 

«Свечение наших растений видно отчётливо уже сейчас. При этом мы ставим перед собой задачу увеличить яркость, освоить декоративные виды, в том числе орхидеи и хризантемы. После этого планируем выйти на рынок», — поделился планами с RT Илья Ямпольский.