Интернет пестрит новостями о том, что американские ученые при помощи генной инженерии создали светящиеся растения. Многочисленные сайты, в том числе довольно популярные ресурсы проводят аналогию с фильмом «Аватар» и выдвигают предположения о том, что светящиеся растения скоро будут выступать вместо светильников.
Однако стоит отметить, что широкое распространение таких растений и получения от них достаточно яркого света — все еще в отдаленном будущем.
Краткая история светящихся растений
1986 год
Первый эксперимент по люминесцентным растениям был проведен в 1986 году группой американских ученых и исследователей.
В качестве добавочного (репортерного) гена была использована люцифераза, которая необходима для реакции биолюминесценции у многих живых организмов — например, светлячка Photinus pyralis — и получила растение, которое благодаря добавлению люциферина (субстрата реакции) и АТФ (аденозин трифосфат), продуцирует тусклый свет.
Первая часть эксперимента была направлена на проверку активности гена люциферазы, ответственного за синтез luciferase enzyme, в растительных клетках. Конструкцию комплементарной ДНК (кДНК) вводили в протопласты — свободные от стенок клетки. Daucus carota через электропорацию. В ходе эксперимента были протестированы различные конструкции ДНК, проверенные, чтобы понять, какой из них наиболее эффективен.
Исследователи заметили, что конструкция (pDO432), содержащая весь ген люциферазы, плюс промотор и терминатор nos, была наиболее эффективной для трансформации.
Конструкцию pDO432 вставляли в плазмиду, которая вводилась в протопласты с электропорацией. Через 24 часа ученые проанализировали результаты с помощью люминометра и наблюдали испускание тусклого света, когда они добавляли люциферин в качестве реакционного субстрата. Но без реагента они не могли обнаружить никакой люминесценции.
Кроме того, растение светилось неравномерно. Корни и стебли показали большую интенсивность света, чем листья. Более молодые органы излучали больше света, чем более старые.
Эксперименты, проведенные в 1986 году, были актуальны не только для автолюминесцентных растений, но и для исследования ДНК и экспрессии генов. Люцифераза была использована во многих исследованиях, в качестве гена — маркера.
Эксперимент 1986 года помогло обнаружить активность люциферазы в растениях, а также позволило кодифицировать излучение света как маркер. Однако у него есть два основных недостатка: количество света было слишком низким для обнаружения невооруженным глазом (исследователи использовали люминометр), плюс для получения люминесценции требовалось добавление реагента.
2010 год
В 2009 году вышел фильм «Аватар». Возможно, вдохновившись фантастически красивыми светящимися растениями Пандоры ученые вновь вернулись к попыткам получения светящихся растений. Но скорее всего это произошло за счет снижения стоимости технологий. По данным Национального научно-исследовательского института генома человека затраты на секвенирование ДНК быстро снижаются. В 2001 году цена базовой пары составляла 10 000 $, в 2011 году — всего 0,1 $.
Это означает, что цена на чтение и запись ДНК-последовательностей упала сто тысяч раз за десять лет. Синтетическая биология выиграла от этого: более низкие затраты стали причиной появления многих стартапов, направленных на применение этой новой технологии в таких областях, как биотопливо, здравоохранение, питание и многое другое. Одним из проектов, которые сейчас возможны благодаря биотехнологиям, является разработка светящихся растений.
В 2010 году группа ученых провела эксперимент с целью получения полного автолюминесцентного растения, то есть растения, способного светиться без применения реагентов. Ученые использовали механизм биолюминесценции морских бактерий P. leiognathi . Они вставили опероны, отвечающие за люминисценцию в геном хлоропластов табака Nicotiana tabacum и сумели создать первое автолюминесцентное растение, содержащее бактериальную люциферазу и способное излучать свет, видимый невооруженным глазом. Впервые было доказано, что высшее растение способно воспроизводить сложный ферментативный путь, происходящий из удаленного, неродственного организма ( P. leiognathi — это прокариот).
Исследования, проведенные в 2010 году, достигли важного результата: впервые было получено автолюминесцентное растение, свет которого был замечен невооруженным глазом в темноте. Потенциальные возможности этого эксперимента многочисленны и в значительной степени еще не изучены. Ученые поняли, что механизм, позволяющий растениям табака приобретать биолюминесценцию, типичную для морской бактерии, распределяется между всеми растительными видами. Следовательно, один и тот же процесс может быть применен к другим растениям. Учитывая, что световая эмиссия может быть изменена с использованием разных промоторов и что цвет может быть изменен, а также части растения, на котором выражена люминесценция, ожидается, что эти исследования будут способствовать созданию большого числа новых видов в растениеводстве.
Доктор Александр Кричевский является одним из исследователей, участвовавших в эксперименте на аутолюминесцентном табаке в 2010 году. Следовательно, к достижениям он применил ту же процедуру к Nicotiana alata и другим растениям в пределах одной семьи с целью производства автолюминесцентных растений. Он сотрудничал с предпринимателем Талем Эйдельбергом, и вместе они основали стартап Bioglow , который в 2013 году коммерциализировал первое автолюминесцентное растение под названием Starlight Avatar.
Особенности этого растения сопоставимы с табачным растением, полученным в результате экспериментов. Идеальная температура для его роста составляет около 25 ° C, она предназначена для помещений и средняя продолжительность жизни составляет от двух до трех месяцев. В настоящее время команда исследователей Bioglow Tech, ныне компания Gleaux работает над новым поколением автолюминесцентных растений.
У них есть две основные цели: улучшение светового излучения и разработка новых сортов с различными видами и различного цвета люминесценции.
Нельзя сказать насколько хорошо прошла монетизация проекта. Каждый мог купить светящийся табак Celestine™ на сайте http://gleaux.us/welcome-to-gleaux/ всего за $ 59.99. Срок жизни светящегося растения 2-3 месяца. Возможно, короткий срок жизни и трудности с выживанием генномодифицированных ростков стали причиной того, что светящиеся растения не появились на каждом подоконнике. В официальных пабликах кампании последние записи датируются июлем 2017 года. И сообщают о том, что светящемуся растению не нравятся летние месяцы (слишком тепло). И что компания ищет новые способы отправки растения в горшках.
В данный момент попытки оформить заказ на сайте заканчиваются неудачей.
Все фотографии полученного в 2010 году светящегося растения делаются на высокой выдержке и свет, получаемый от растений достаточно тусклый. Его явно не хватит для чтения или выполнения работ. Celestine ™ может выполнять только декоративную функцию.
2013 год
Светящиеся растения — это организация, финансируемая в Калифорнии в 2013 году Энтони Эвансом и Кайлом Тейлором. Их отправной точкой стал эксперимент 2010 года.
В 2013 был также разработан проект, организованный Кембриджским университетом и названный iGEM. Исследователи ввели гены, ответственные за люминесценцию в светлячке, в бактерии Escherichia coli. Впоследствии они вставили оперон, взятый из морских бактерий под названием Vibrio fischeri, в другую кишечную палочку.
Результаты показали, что света было достаточно, чтобы позволить считывать текст, используя только бактерии в качестве источника света. Самое главное, им удалось получить разные цвета люминесценции.
У Эванса и Тейлора была идея объединить результаты к эксперимента, проведенного над табаком — с проектом iGEM, с целью создания растения светящегося без реагентов и максимального увеличения яркости их света.
В апреле 2013 года они начали онлайн-сбор средств, используя сайт kickstarter , чтобы финансировать производство светящихся растений, и собрали почти полмиллиона долларов. Пять месяцев спустя они основали организацию Glowing plant. Цель состояла в том, чтобы принести пользу окружению, которое росло вокруг них и их продукта, монетизировать продукт, и тем самым получить средства на продолжение ислледования, чтобы еще больше улучшить люминесценцию и разработать новые продукты. Они получили 120 000 долларов, финансируемых Y Conbinator, организацией людей, которые решили создать резервные копии стартапов, в которых они видят потенциал. Люди вкладывали деньги, ожидая получить семена и саженцы светящихся растений. На сайте glowingplant.com (в данный момент сайт не доступен) должен был появиться интернет-магазин, торгующий семенами и саженцами автолюминесцентных растений (Arabidopsis thaliana) и наборы для разработчиков для тех, кто хотел бы попробовать и воспроизвести эксперимент самостоятельно и получить свои собственные автолюминесцентные растения.
Но светящиеся растения, обещанные инвесторам, так и появились на свет. По крайней мере в массовом варианте. Ученым не удалось оправдать все ожидания и достичь результата, который можно было бы монетизировать. Однако им удалось создать платформу для обеспечения более дешевой, быстрой и лучшей генной инженерии растений. Как отмечает Эванс — если кто-то может и хочет продолжить исследования, его компания с радостью поделиться результатами.
«Одна из самых главных причин прекращения разработки, заключается в том, что нам не удалось встроить все шесть генов в растение. Пока неясно, вызвано ли это токсичностью генов или проблемами с правильным встраиванием такой большой конструкции. Мы думаем, что вторая гипотеза более вероятна, поэтому мы надеемся, что кто-то еще будет заинтересован в попытках вставить гены. Если вы заинтересованы в том, чтобы взять ДНК, которую мы создали, и работать над преобразованиями, пожалуйста, свяжитесь с нами antony@glowingplant.com, чтобы мы могли отправить его вам. Мы надеемся, что кто-то еще сможет продолжить исследования, опираясь на то, что мы сделали.»
На сайте проекта Kikstarter. Была размещена новость, что работа над светящимся растением приостановлена. https://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit/posts/1786250
Здесь же можно найти ответы на вопросы инвесторов по поводу возмещения инвестиций или условий получения набора для самостоятельного продолжения работ. Анонсировано новое направление разработок компании — ароматный мох. Предполагалось, что этот мох сможет заменить искусственные освежители воздуха.
Мох намного проще, чем растение Arabidopsis, которое команда использовала для создания светящегося растения. У мха также более простой геном и более короткий жизненный цикл, который сокращает время, необходимое для проведения экспериментов.
Но не все инвесторы, судя по комментариям https://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit/posts/1786250 довольны тем, что вместо светящегося растения они получат ароматный мох. Эванс надеется, что разработка может быть интересна крупным парфюмерным компаниям.
Как признает Эванс: «Было неправильно обещать что-то, когда существуют такие высокие технические риски».
Последние записи на kickstarter датируютя июнем 2017 года. В частности, в них сообщаются, что разработки ароматного мха тоже приостановлены, т.к. имеющийся у компании в производстве мох загрязнен генами устойчивости к гербицидам.
2017 год
- Май. Китайские ученые также получили светящиеся растения. Выделив отвечающие за биолюминесценцию генетические последовательности из светящихся морских существ, а затем интегрировав их в геном табака.
- Декабрь. Ученым из Массачусетского технологического института удалось заставить некоторые растения светиться.
Но в MIT (команда Майкла Страно.) методика совершенно иная. Если команда Glowing Plants (команда Эванса) опиралась на генетические модификации, то в данном случае ученые хотят просто интегрировать светоносные белки прямо в растения. Согласно их прогнозам, в ближайшее время они смогут увеличить яркость растений и улучшить текущий метод имплантации белков. Сейчас белки попадают в листву после замачивания в растворе, полном наночастиц, под высоким давлением, а также в напылении и специальном окрашивании.
Ванна для введения наночастиц через устьичные щели растений при повышенном давлении.
Цель — заменить при помощи растений настольные светильники и уличные фонари. Что позволит экономить огромное количество электроэнергии.
Светящиеся растения ещё не появились, но у их появления уже есть противники.
После проекта Эванса Kickstarter изменил свою политику, и больше не будет позволять поддерживать финансирование проектов, связанных с генетически модифицированными организмами. Это было связано с давлением компаний по защите природы.
Группа противников синтетической биологии из Канады даже запустила ответную кампанию «kickstopper», призванную остановить этот проект.
И, возможно, не безосновательно. Неконтролируемое появление светящихся растений может привести к серьезным нарушениям экосистемы планеты. Пока сложно предугадать к каким именно, но если немного пофантазировать, то можно представить, что, например, массовое появление светящихся растений в природных условиях может привести к нарушению привычного ритма дня и ночи у обычных животных и растений. Поставить под угрозу вымирания некоторые виды ночных животных. Или вызвать нарушения процесса фотосинтеза у растений. Что в последствии может привести к изменению состава атмосферы Земли.
Даже инвесторам закрывшегося проекта Эванса, чтобы получить от TAXA набор для разработчиков с целью самостоятельного проведения опытов. Нужно получить разрешение от USDA (Министерство сельского хозяйства США. Контролирующая область ГМО растений).
Перевод и изложение по материалам:
http://gmoobzor.com/stati/kampaniya-kickstarter-po-sozdaniyu-svetyashhegosya-rasteniya-polnostyu-provalilas.html#ixzz55sQyPC40
https://www.kickstarter.com/projects/antonyevans/glowing-plants-natural-lighting-with-no-electricit/posts/1786250
http://gleaux.us/welcome-to-gleaux/
Страничка команды Эванса на wefunder https://wefunder.com/taxa
Сайт компании Taxa Biotechnologies http://www.taxa.com/
06.02.2018
