Научное открытие позволит оценивать фенольный метаболизм в минутных интервалах времени
Сотрудники Ботанического сада биологического факультета МГУ в составе группы исследователей под руководством Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского из Института биоорганической химии РАН провели исследования, связанные с разработкой технологии получения светящихся растений. Статья с описанием основных результатов исследований опубликована в журнале Nature Biotechnology.
Разработки ведутся стартапом Планта. Основная идея исследования – перенести в растения компоненты недавно изученной системы биолюминесценции грибов. Оказалось, что для свечения грибов необходима кофейная кислота (вещество фенольной природы), которая в норме присутствует в растительном организме. Чтобы появился свет, кофейная кислота должна пройти метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона, возникает свечение (биолюминесценция). Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл. Таким образом, для получения светящихся растений достаточно «перенести» только 4 гена из грибов в растения.
Идея оказалась плодотворной: в опубликованной статье авторы показали, что систему люминесценции из грибов можно эффективно перенести в растения. Это позволило создать растения, которые светятся, как минимум, в десять раз ярче по сравнению с предыдущими работами. Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветков, его видно невооруженным глазом, и можно заснять на обычные фотоаппараты и даже смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться.
«Свечение трансгенных растений достаточно переменчиво. Молодые побеги растений, а в особенности – цветки, светятся ярче. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения. В течение суток интенсивность биолюминесценции также варьирует. Эти первичные наблюдения позволили нам предположить, что биолюминесценция в искусственно разработанной системе отражает интенсивность метаболизма в растениях (в частности – метаболизма кофейной кислоты). Гипотеза оказалась очень продуктивной: свечение можно было стимулировать теми же факторами, которые усиливают фенольный метаболизм. Так, механическое повреждение растений вызывает быстрый сигнал, распространяющийся по жилкам. Растения светятся сильнее, если получают стрессовые сигналы, в частности этилен или метилжасмонат. Усиление свечения наблюдается через некоторое время после рассвета и сразу же при переходе к темноте, а если выключить свет на несколько дней, то «волны» свечения еще некоторое время продолжаются по внутренним «биологическим часам» растения. До разработки светящихся растений об изучении динамики метаболизма можно было только мечтать. Новая технология позволяет оценивать фенольный метаболизм в минутных интервалах времени, и получать информацию о локализации процессов с точностью до миллиметров», – рассказал один из авторов исследования, директор Ботанического сада МГУ, доктор биологических наук Владимир Чуб.