Растения, чувствительность которых к взрывчатым веществам превышает таковую у собак, выводят американские биологи. Для создания необычных живых сенсоров учёные модифицировали естественный механизм защиты растений таким образом, чтобы он отвечал на нужный раздражитель изменением цвета листвы.

Рис. 1. Сделать датчиком можно почти любое растение:
все обладают той или иной системой защиты и содержат
подходящие для модификации белки. На снимке: профессор
Мэдфорд (справа) и постдок Питер Боуэрман (Peter Bowerman)
(фото Joe A. Mendoza/CSU Photography).

Система защиты, нещадно эксплуатируемая учёными, была «изобретена» растениями давным-давно. Всё просто: если уж они не могут сбежать с места, где растут, то обязаны научиться защищать себя от внешних угроз.

Так, листья табака, страдая от хорошего аппетита прожорливой гусеницы, начинают выделять вещества, которые привлекают хищных насекомых. Другие растения, обнаружив при помощи рецепторов-белков атакующего, выбрасывают в ткани терпеноиды, уплотняющие кутикулу листьев.

Исследователи придумали, как использовать последний механизм в своих целях. В качестве подопытных кроликов группа генетиков, возглавляемая профессором Джун Мэдфорд (June Medford), выбрала арабидопсис, неизменный любимчик биологов, и табак.

Рис. 2. Почувствовав даже небольшие количества взрывчатки, растения бледнеют, словно впечатлительные девицы. Всё потому, что изменяется структура, окрашивающего их хлорофилла (иллюстрация CSU).

По задумке учёных, нужно было изменить рецепторный белок в клеточных стенках таким образом, чтобы он включал защитный механизм, «почувствовав» в окружающей растение среде взрывчатые химические вещества или загрязнители воды и воздуха.

Биологи при помощи специальной компьютерной программы рассчитали, как нужно изменить природные белки растения, чтобы они выполняли нужные функции. Затем методами генной инженерии были проведены соответствующие модификации.

В результате в присутствии сигнального вещества (самого распространённого компонента бомб – тринитротолуола) вся грядка генетически модифицированных растений (как арабидопсиса, так и табака) начинала терять свою зелёную окраску, давая чёткий сигнал исследователям.

Рис. 3. Реакция изменённого табака на присутствие в почве ТНТ (23 ppb) проявляется в течение нескольких часов (время обозначено по горизонтали). Слева показано изменение цвета листьев, заметное невооружённым глазом. Справа: гиперспектральные изображения (hyperspectral imaging) изменения эффективности фотосистемы II (photosystem II). В нынешнем исследовании тринитротолуолом насыщали почву, изолируя листья от паров ТНТ и продуктов его распада. Однако отдельный эксперимент показал, что ростки табака бледнели и в присутствии летучих форм. Внизу: наилучший вариант отклика растения (иллюстрация CSU).

Но, как замечают сами разработчики, то происходит в исследовательской лаборатории, где количество света одинаковое в течение дня, «нет ветра, дождя и вредителей, а также людей, выплёскивающих кофе».

Рис. 4. Станут ли растениями покрывать рамки металлодетекторов и прочих сканеров, пока не известно. По мнению Мэдфорд, до вытеснения классических методов поиска взрывчатки пройдёт не менее 5–7 лет (фото CSU).

Первое поколение табака учёные «научили» бледнеть в течение нескольких часов после обнаружения взрывчатки. «Ответ» растения может распознать любой человек. Однако пока не придуман механизм возвращения листьев к их естественной окраске.

В будущем растения можно будет настроить на поимку веществ, загрязняющих окружающую среду, и прочих химических соединений.

Однако сейчас перед исследователями стоит другая важная задача: ускорить процесс детектирования нужных веществ. К решению этой проблемы Мэдфорд собирается подключить всех своих сотрудников, а их у неё немало: студентов, аспирантов и постдоков около 30 человек. Цель: изменение окраски листьев в течение нескольких минут.

Рис. 5. Статья создателей растений-ищеек опубликована в открытом доступе в журнале PLoS ONE. В ней американцы утверждают, что чувствительность растений сопоставима, а иногда и выше чувствительности собак (фото CSU).

Нынешняя работа была начата ещё в 2003 году. Финансовую поддержку обеспечивали сразу несколько заинтересованных организаций. В виде грантов в разработку живых датчиков взрывчатки было вложено около $3 миллионов.

На то, чтобы довести разработку до ума, американское агентство по сокращению военной угрозы (DTRA), основной игрок на этом поле, выделило группе Мэдфорд ещё $8 миллионов. Учёные предполагают, что на завершение работ уйдёт ещё 3–4 года.

Рис. 6. Растения уже пытались обучить обнаружению мин. Датская компания Aresa Biodetection изменила арабидопсис таким образом, чтобы его листья за 3–5 недель становились вместо зелёных красно-коричневыми (на снимках) при присутствии в почве диоксида азота, выделяемого неразорвавшимися минами. В 2008 году компания признала разработку коммерчески не выгодной, отказалась от дальнейших инвестиций в биотехнологии и перешла на другой вид деятельности (фото gizmag, с сайтов technoccult.net, storyofcool.com).

Джун полагает, что растения-ищейки можно будет продавать в виде генетически модифицированной рассады, а также, что такая зелень будет стоить дешевле, чем обычные рамочные сканеры.

Рис. 7. Раньше к выявлению взрывчатки подключали пчёл, крыс, молей, пивные дрожжи и бактерий (фото с сайта thehoneybeeconservancy.org).

В дальнейшем растения также можно будет научить распознавать сразу несколько загрязняющих веществ одновременно, а за изменением цвета листвы можно будет следить хоть из космоса, мечтают разработчики.

Газета New York Times идёт ещё дальше и представляет, как будут звучать в будущем аудиообъявления в аэропортах:

«Пожалуйста, предъявите свои документы и посадочный талон и пройдите мимо стены рододендрона».

Результаты исследований опубликованы в статье:

Mauricio S. Antunes, Kevin J. Morey, J. Jeff Smith, Kirk D. Albrecht, Tessa A. Bowen, Jeffrey K. Zdunek, Jared F. Troupe, Matthew J. Cuneo, Colleen T. Web, Homme W. Hellinga, June I. Medford Programmable Ligand Detection System in Plants through a Synthetic Signal Transduction Pathway. – PLoS ONE. – 2011 – V.6. – Issue 1. – e16292 Сосбственно сама статья.