Ученые работают над созданием биолюминесцентных деревьев и растений
Чтобы сэкономить энергию, люди иногда совершают безумные поступки. Кто-то проводит ночи в темноте, а кто-то пытается найти другой выход из ситуации. И, кажется, исследователи из Америки нашли его. Ученые занимаются разработкой способов сделать деревья биолюминесцентными. Это позволит использовать их как естественные уличные фонари, а значит, потребность в электричестве частично отпадет. По их предположениями, скоро улицы будут освещать растения.
Биолюминесценцию принято считать, способностью живых организмов светиться, как самостоятельно, так и с использованием симбионтов. Основной для нее служат химические процессы, во время которых происходит освобождение энергии в форме света. Этот процесс начали использовать в хозяйстве в середине двадцать первого века – генная инженерия позволила ввести устойчивые виды таких деревьев. Это не только практично, но и очень красиво.
Как появилась идея?
Все началось с того, что ученые из Соединенных Штатов Америки захотели освещать улицы городов, используя деревья. Первым, кто задумался о таком источнике света, стал Даан Розегаарде. Исследователь из Голландии полагал, что есть нечто такое, что способно заменить не только электричество, но и солнечную батарею.
Деятель в сфере искусства с особым вниманием занимался изучением медуз, и обнаружил интересное их качество. Когда они опускаются на определенный уровень глубины, сквозь толщу водного пространства можно заметить свет, который исходит от практически невидимых обитателей воды. Недолго думая, он взял на пробу частицы их тканей и определил, что решающую роль играют бактерии, накапливающие свет в течение светового дня, пока его видят. В ночное время суток они излучают столько, сколько успели собрать днем. Для подобного процесса не нужны какие-либо батареи, провода или прочие приспособления. Наверняка ты уже догадался, что природа имеет свои «светильники», и было бы глупо не обращать людям на это внимание, особенно, когда наступила эпоха исчерпывания ресурсов.
Работы исследователей из Америки
Наблюдения голландского ученого не остались незамеченными – американские исследователи тут же захотели провести практический эксперимент, чтобы проверить теорию.
Они определили тех бактерий, которые накапливают и выделяют свет – это был люциферин. Нередко его можно встретить в морском организме, причем и в растениях, и в животных. Также он легко «внедряем» в клетки наземной флоры – именно это и стало новой целью ученого из Сан-Франциско по имени Энтони Эванс.
Эксперимент прошел успешно. Благодаря его совместной работе с коллегами появился проект Glowing. Дальше они занялись генной модификацией. В качестве подопытных были выбраны комнатные растения, в ДНК которых исследователи внедряли биолюминесцентные бактерии.
На тот момент было немало страхов, что данные организмы не смогут прижиться в цветах и кустарниках, но, к счастью, они не оправдались. Молекулы, которые были пересажены из организмов морских жителей, сумели синтезироваться с клетками комнатных растений и по итогу засветились.
Параллельно с этими, свое исследование проводили ученые из Нью-Йорка. Главной целью проекта под названием Bioglow стало модифицирование ДНК представителей интересного вида Nicotinana Tabacum. По итогу бактерии прижились, и цветки стали светиться в горшках. Но больше всего исследователей удивил тот факт, что ярче светились не листья, а стебли. Они нашли этому простое объяснение – световые частички синтезируются с более крепким и стойким клеточным объединением.
Около 10 лет назад группа во главе Кричевского пыталась внедрить в состав растения люминесцентную систему. Встроить получилось, но организмы не светились настолько ярко, как планировалось. Все дело в том, что прокариотическая биохимическая цепочка слабо совместима с эукариотами.
В 2017 году была описана такая же система, но связанная с грибами. Она состоит из 3-гидроксипролина, образующегося из кофейной кислоты, простого растительного метаболита. Поэтому такой химический процесс был назван «цикл кислоты из кофе». Так как последняя имеется в составе всех растительных организмов, то заставить светиться можно любое из них.
Применение новой системы на животных и растениях
Благодаря такому инструменту, ученые сумели обнаружить многие вещи, которые ранее были совсем недоступны. Очень хорошо проследить процесс применения биолюминесценции можно в создании исследователями трансгенных животных и растений.
В первом случае для этого понадобился GFP – флуоресцентный белок зеленого окраса. Такой ген пришивали к любому биологическому процессу, который хотели изучить, а дальше просто ждали, пока он «загорится», используя при этом ультрафиолет. Если результат был положительным, то можно говорить об экспрессии белка и успешной работе системы.
В 1998 году была создана первая мышь с встроенным геном. Позже, 2003 году появились светящиеся рыбы, а в 2014 ученым удалось вывести свинью, которая светится.
К растениям нужен другой подход, так как их ткань довольно плотно пигментирована – состоит из хлорофилла и каротиноидов. Если будешь рассматривать ее под микроскопом, то обнаружишь поток флюоресценции. На фоне последнего заметить полезный сигнал практически нереально. По этой причине нужно было использовать люминесцентные репортеры. Они не «отсвечивают». Но так как растения самостоятельно не вырабатывают их, требуется физическое введение. Такой способ конечно не очень удобный и дорогой. «Кофейная» же система функционирует самостоятельно, так как уже существует в растительном метаболизме.
Принцип работы
Свечение работает из-за того, что молекулы люциферинов окисляются ферментом под названием люцифераза. Насчитывается сорок подобных систем, которые включают 7 разных типов последних.
О яркости
Как ты уже понял, какая-то часть растения всегда будет светиться ярче. Самыми яркими являются корни, в частности их ветвления. При обрезке побега вырастет новый, который также будет достаточно ярким. Место среза не перестанет светиться, пока не высохнет.
Интенсивность света зависит и от времени суток. Например, пик яркости можно увидеть в середине ночи. Старый побег всегда будет тусклее, в сравнении с молодым. Также яркий свет присущ цветам. Если лист погибает, то за счет биохимии, он сначала должен вспыхнуть.
Постоянство свечения
Растительные организмы светятся постоянно, с переменными колебаниями яркости. Если рядом лежит кожура от банана, то они начнут светиться ярче. Все дело в выделяемым ею этилене, растительном гормоне, угнетающем рост растений и способствующем созреванию плодов.
Где можно использовать такие растения?
Главной целью ученых было создать продукт, который заменит полноценную настольную лампу, не требующую электричества. Специалисты утверждают, что биолюминесцентные деревья можно будет внедрить для разных функций, например, полной замены электрических приборов. Некоторые модели смогут обнаруживать взрывчатые вещества и отслеживать экологические условия – «оповещать» и приближающейся засухе. В настоящее время ученые пытаются добиться разноцветного свечения. Сейчас уже есть определенный прогресс.
