В лаборатории биотехнологов из Института биоорганической химии РАН выросли растения табака, которые осветили все вокруг мягким зеленым светом. На очереди — петуния, затем орхидеи или розы. Один из создателей растений, Илья Ямпольский, рассказал N + 1, как скоро живые светильники появятся в продаже, достаточно ли их света для чтения и почему это не просто игрушка, а новый инструмент для научных исследований.

Как это работает?

Сам эффект называется «биолюминесценция» — это нетепловое свечение в живой системе. Светятся светлячки, некоторые глубоководные рыбы, грибы, бактерии. Свечение происходит благодаря окислению молекул люциферинов ферментом люциферазой. Всего известно около 40 биолюминесцентных систем, включающих семь различных типов люцифераз.

Светящихся растений в природе не бывает. Сделать их искусственно пытались и раньше: например, десять лет назад группа под руководством Александра Кричевского встроила бактериальную люминесцентную систему в растения, но сделать их достаточно яркими не получилось: оказалось сложно совместить прокариотическую биохимическую цепочку с эукариотами.

В 2017 году наша группа описала люминесцентную систему грибов. Мы изучили синтез люциферина во вьетнамском светящемся грибе Neonotopanus nambi и выяснили, что грибной люциферин — это 3-гидроксигиспидин, который образуется из кофейной кислоты, обычного метаболита растений, поэтому химический цикл назвали «циклом кофейной кислоты». Через год мы определили все гены, отвечающие за этот процесс, что открыло возможность воспроизвести его в других организмах.

Примерно полгода назад наша группа, в которую вошли ученые из ИБХ РАН, компаний Planta и «Биотрон», впервые получили светящееся растение: вставили в геном табака Nicotiana tabacum гены гриба, которые кодируют ферменты синтеза грибного люциферина (гиспидина) из кофейной кислоты, ген люциферазы и фермент для превращения окисленного люциферина обратно в кофейную кислоту. Растения, которые мы получили, светятся в 10–100 раз ярче «бактериальных». Теперь результаты эксперимента, который поддерживало «Сколково» и РНФ, опубликованы в Nature Biotechnology.

Кофейная кислота есть во всех растениях, поэтому светиться, в принципе, можно заставить любое.

Как ярко?

Разные части растений светятся с разной яркостью. Например, листья выращенных нами растений светились с интенсивностью около 20 миллиардов фотонов в минуту на квадратный сантиметр, а цветы — порядка 30 миллиардов.

Tatiana Mitiouchkina et al. / Nature Biotechnology, 2020

В темной комнате такие растения позволяют видеть предметы вокруг, стены. После того, как глаза привыкнут к темноте, при таком свете можно даже разобрать текст.

Постоянно или нет?

Растения светятся все время, непрерывно, но яркость может колебаться. Они начинают светиться ярче, если, например, положить рядом банановую кожуру. Она выделяет этилен, растительный гормон, который, с одной стороны, угнетает рост растений, а с другой — способствует созреванию плодов.

Интенсивность свечения колеблется в зависимости от времени суток, пик яркости приходится примерно на середину ночи. Молодые побеги светятся ярче, старые тусклее. Ярко светятся цветы. А если листу пора умирать, там включается какая-то биохимия, и он вспыхивает перед тем, как погибнуть окончательно.

Tatiana Mitiouchkina et al. / Nature Biotechnology, 2020

Очень ярко светятся корни, особенно точки их ветвления. Если отрезать побег, на этом месте начинает вырастать новый, и это место тоже светится очень ярко. Срезанная часть растения будет светиться до тех пор, пока она не засохнет.

А можно заставить светиться деревья? А животных?

Грибная люминесцентная система — единственная, которая может работать во всех эукариотах, не только в растениях. Поэтому принципиальной границы здесь нет, мы можем заставить светиться и другие организмы. С деревьями работать сложнее, поскольку у них значительно больше срок жизни. В случае животных придется модифицировать саму систему, но непреодолимых препятствий тут нет.

Зачем нужны такие растения?

Это совершенно новый инструмент для ученых, он позволит узнать о биохимических процессах в растениях множество вещей, которые раньше были нам совершенно недоступны.

В животных это делают с помощью GFP — зеленого флуоресцентного белка. Ген GFP пришивается к какому-то биологическому процессу, который вы хотите изучить, а дальше вы сидите и ждете, когда он «загорится» под действием ультрафиолета. Засветился — значит белок экспрессируется и помеченная вами система работает.

С растениями этот метод не работает. Растительная ткань очень плотно пигментирована — там и хлорофилл, и каротиноиды, они все флуоресцируют. Если растительную ткань поместить под микроскоп, вы увидите поток флюоресценции, на фоне которого увидеть полезный сигнал почти невозможно.

Planta & Light Bio

Поэтому использовались не флуоресцентные репортеры, а люминесцентные — те, которые не «отсвечивают» в ответ на излучение, а светятся сами. Наблюдать за ними, соответственно, надо в темноте. Но поскольку растения сами не вырабатывают люциферин, его надо физически вводить туда, где он должен сработать. Это неудобно и дорого.

А «кофейная» система не требует никаких дополнительных опрыскиваний, поливаний, она работает сама по себе, поскольку встроена в растительный метаболизм. Ее достаточно «привязать» к нужному вам биохическому процессу, и затем просто наблюдать за тем, что происходит. Это, по большому счету, первая удобная репортерная система для растений, это своего рода растительный аналог GFP.

Потенциальных задач для такой системы очень много. Например, можно ее использовать для изучения реакций растений на стрессы — высокую температуру, высокую соленость, болезни, а потом с опорой на эти данные вывести устойчивые сорта.

Десятки лабораторий со всего мира уже обратились к нам, запросили гены, семена — мы помогаем, отправляем им, например, готовые плазмиды.

Готового коммерческого продукта у нас нет. Но если к нам обратится компания, которая захочет выращивать такие растения на продажу, то они должны будут купить у нас лицензию.

Законно ли это в России?

Наши растения подпадают под регулирование, касающееся ГМ-организмов — но эксперименты с ГМ-растениями не запрещены, регулирование в основном касается выращивания модифицированных растений в открытом грунте.

Tatiana Mitiouchkina et al. / Nature Biotechnology, 2020

Мы собираемся создать растения, которые смогут пройти все необходимые проверки и получить разрешение для продажи на рынке. Рассчитываем, что получение всех необходимых сертификатов и лицензий займет два-три года.

А купить такой росток можно?

Компания Planta не собирается продавать светящийся табак, мы сейчас работаем над получением светящихся разновидностей традиционных декоративных растений. Я не могу назвать их все, но скажу, что идет работа над розами, орхидеями, всего их около дюжины сортов. Первым светящимся растением на рынке будет, скорее всего, петуния, планируем начать продавать их уже через два года.

Мы хотим создать линейку растений и занять свои ниши во всех сегментах декоративных растений — от срезанных цветов до газонной травы и кустарников.

Текст подготовил Сергей Кузнецов