Табак это не только вредные сигареты, но и крутое модельное растение. Российские разработчики модифицировали, внедрив биолюминесцентные грибные белки.
Процесс создания генно-инженерных организмов почти всегда подразумевает решение какой-то сложной задачи. Например, у вас помидоры либо вкусные и гниют через неделю после сбора, либо красивые, лежат несколько недель на прилавке и на вкус как трава. И вот тут может вмешаться генетик и поправить толщину клеточных стенок, синтез глутаматов, инозинатов, сахаров и прочих вкусняшек. В итоге получается вкусный, красивый и транспортабельный овощ.
А иногда крутые штуки создаются чуть ли не just for fun, но в итоге становятся крутыми и важными проектами. Или не становятся. Многие помнят, как в свое время затравили проект Glowing Plant на Kikstarter. В результате, несмотря на то, что они собрали $484,000, Kikstarter ввел правило, запрещающее выставлять в качестве награды ГМО-семена. В итоге, светящуюся Резуховидку Таля они не сделали. Зато смогли обойти запреты и разослали модифицированный мох.
Сегодня буду рассказывать про светящийся салат, светлячков, и то, зачем вообще ученым надо заставлять растения светиться.
Инцидент с Glowing plant
Резуховидка Таля, она же Арабидопсис, не особо впечатляет своим внешним видом. Честно говоря, это скорее скучный и ничем не примечательный сорняк, который даже условные козы особо не едят. У нее другой, не самый очевидный бонус — у нее один из самых маленьких геномов из всех цветковых растений. Собственно, именно поэтому он стал первым полностью секвенированным геномом растений. А еще у нее очень короткий жизненный цикл — всего 6 недель, что позволяет быстро получить семена следующего поколения. Для сравнения, тот же лимон может лет 10-15 медленно расти, прежде чем решит начать цвести.
Именно благодаря этому растение и стало кандидатом на коммерческую модификацию в виде светящегося растения. К сожалению, очень похоже, что исследователям все же не хватило собранных средств, плюс прилетел запрет от самой площадки на продажу семян. В итоге, они все же решили хотя бы частично порадовать бекеров и смогли к 2017 году завершить отдельный проект по созданию ароматизированного ГМО-мха. Причем в нескольких разновидностях аромата.
Вот так выглядит клеточная культура мха. Дальше ее можно будет клонировать и вырастить множество копий.
Получилось как-то так. Многие были разочарованы, не рассчитывая получить за свои 150 долларов обычный мох. Пусть и пахнущий как пачули. На самом деле, мне кажется, что исследователи изначально недооценили сложность задачи, которую до сих пор не могут эффективно решить крупные исследовательские команды с куда большим финансированием. Давайте посмотрим, в чем тут сложность.
Светоносный люциферин
Эти белки не светятся, а только флюоресцируют как жилетки у дорожных рабочих
Традиционно в исследовательских работах используются флюоресцентные белки. Например, тот же GFP. Он светится зеленым, но не сам по себе, а только при освещении его голубой частью спектра. Те же медузы, которые его используют так и работают. У них есть белки, которые способны испускать голубое свечение. Фотоны этой части спектра поглощаются и переизлучаются за счет сдвига Стокса в зеленой, более длинноволновой части. Все это очень красиво, но когда вам показывают светящихся лысых зеленых мышей надо помнить, что они сами по себе не светятся, а требуют подсветки и светофильтров.
Свечение брюшка светляка из рода Lampyris
Истинное свечение химической природы называют фосфоресценцией. Или биолюминесценцией, если мы говорим про живые организмы. Светятся очень многие организмы, преимущественно микроскопические. Классическим примером такого механизма является белок люциферин, который под действием фермента люциферазы превращается в оксилюциферин, испуская квант света.
Проблема в том, что этот процесс очень энергозатратный. То есть организму придется старательно есть и запасать АТФ для того, чтобы синтезировать нужное количество светящегося соединения. Поэтому, когда мы пытаемся засунуть ген для синтеза люциферина или другого подобного белка в растение, мы автоматически тратим ценные ресурсы на ненужный для него свет. Кустик бы с бо́льшим удовольствием отрастил лишний сантиметр побега или добавил немного сахаров в растущий. Хотя, надо признать, что КПД у того же люциферина невероятно высок, если сравнивать с традиционными лампочками. У светлячков от 87 до 98% энергии переходит в свет, почти без потерь на нагрев.
Метод с наночастицами
Есть два основных подхода на данный момент, внедрение люциферина на наночастицах напрямую в ткани растения и классическая генная инженерия.
В 2017 году команда под руководством Michael Strano представила технику создания светящихся растений на базе наночастиц. За основу взяли того же светлячка. Они создали три частицы носителя:
- Кремниевые наночастицы диаметром 10 нм для люциферазы
- Наночастицы из PLGA (полилактид-гликоль) для люциферина
- Наночастицы хитозана для коэнзима А.
Люциферин под действием люциферазы начинает светиться. Коэнзим А помогает переработать продукты реакции. Наночастицы вводились под большим давлением в ткани листа. В итоге они смогли получить порядка 45 минут свечения. Выглядит круто на первый взгляд, но по факту глобально не отличается от обычных химических светильников-палочек, только с использованием наночастиц. Разработчики выступили еще с заявлениями, как города будут освещаться такими цветами, но это еще более сомнительно.
Светящиеся ГМ-растения
Международная команда с участием российских ученых под грантом РНФ разработала методику создания ГМ-табака, интегрировав в него часть генома светящихся грибов.
Ключевые плюсы этой разработки в качественной интеграции механизмов свечения с естественным метаболизмом растения. Ранние работы с использованием белков светлячка плохо ложатся на типичные биохимические процессы в растении. Более того, в отличие от наночастиц, нам не требуется вносить никакие дополнительные компоненты. Растение светится с видимым зеленым свечением в течение всего жизненного цикла, причем во всех его частях, от корней до стебля и цветов. Кроме табака методика была успешно протестирована на барвинке, розе и петунии.
Я так и не нашел, как вставить в плеер mp4 на Хабр. Поэтому, просто посмотрите видео по гиперссылке, очень крутые таймлапсы.
Зачем все-таки заставлять растения светиться
Во-первых, это круто. Мне кажется, это чуть ли не ключевой неофициальный мотив разработки) Во-вторых, это очень удобный маркер для того, чтобы следить за биохимическими процессами в живом растении. Традиционный подход обычно заключается в том, что вы должны срезать растение, покрасить срезы, изучить те или иные маркеры после окраски. Растение при этом не особо радуется. А вот если завязать активацию свечения на определенные процессы, то можно наблюдать за всем этим в живом растении.
Например, изучить синтез и накопление гибереллинов. Это такой гормон, который отвечает за вытягивание междоузлий в длину, если растению не хватает света. А еще он регулирует наступление цветения. Можно легко и удобно изучить воздействие условных удобрений на его синтез. Выключаем свет, фотографируем и оцениваем, в каких участках свечение интесивнее. Возможности реально безграничны.
Ну и, конечно, тот самый светящийся кустик на подоконнике. По крайней мере, я очень на это надеюсь.
Наши VDS можно использовать для разработки и просчета научных экспериментов.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
