Ламповые цветы

Роман Фишман
«Популярная механика» №6–8, 2020

Светящиеся мертвенно-зеленым грибы встречаются не только в сказочных лесах, но и в настоящих тропических. Около сотни видов агариковых способны к люминесценции, хотя для чего она им нужна, остается загадкой. Скорее всего, свет привлекает ночных насекомых, которые разносят споры с плодовых тел, — однако зачастую мерцает и сама грибница, скрытая в земле или древесине.

Так или иначе, биолюминесцентная система появилась у грибов около 160 млн лет назад, одна на всех: отдельные ее детали, выделенные из разных видов, свободно комбинируются друг с другом и продолжают создавать свечение. Несколько лет назад команда Ильи Ямпольского из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН и их коллеги из стартапа «Планта» выяснили, как именно устроена эта «грибная лампочка». Цепочка реакций оказалась нехитрой: всего четыре молекулы и четыре фермента, которые катализируют их реакции.

На первом шаге широко распространенная у грибов кофейная кислота превращается в гиспидин, на втором — в люциферин. С третьим шагом, окислением люциферина, испускается излучение, после чего оксилюциферин снова восстанавливается до кофейной кислоты и все начинается с начала. Вскоре биологи идентифицировали гены, кодирующие ферменты этой люминесцентной системы, и успешно перенесли их в дрожжи, заставив те светиться. Тьма стала понемногу рассеиваться.

Четыре молекулы и четыре фермента, которые катализируют реакции

Прикрутить лампочку

Давняя мечта о светящихся в темноте живых растениях остается несбыточной, невзирая на все усилия ученых (читайте об этом подробнее в мартовском номере «ПМ» за 2018 год). Так, основанная Александром Кричевским компания некоторое время пыталась торговать линией табака, хлоропласты которой несли люминесцентную систему фотобактерий, однако они не отличались ни яркостью, ни жизнеспособностью, и сегодня проект закрыт. Без особого успеха продолжаются попытки применения в растениях люциферазы, извлеченной из светлячков.

«Самое первое такое растение было получено еще в 1980-х, — рассказал нам биолог из ИБХ РАН и директор „Планты“ Карен Саркисян. — Оно производило люциферазу и светилось, но его постоянно требовалось поливать чистым люциферином». Встроить весь комплект генов не только в хромосому, но и в метаболические процессы растительных клеток, да так, чтобы не нарушить в них ничего существенного, до сих пор не получалось.

Пока что табак светится слабым зеленым светом, но ученые уже работают над тем, чтобы сделать такие «лампы» более яркими и разноцветными

Поэтому люминесцентная система грибов оказалась настоящей находкой. В ней все начинается и заканчивается кофейной кислотой, которая встречается у всех без исключения растений, поскольку выступает одним из предшественников лигнина, из которого сложены их жесткие клеточные стенки. Эта кислота им не чужеродна, она является естественной и важной частью растительного метаболизма. К ней оставалось лишь «прикрутить лампочку» — что ученые и сделали.

Баланс цветов

Гены четырех ферментов люминесцентной системы грибов ученые перенесли в клетки табака и вырастили из них устойчиво светящиеся растения. Их листья, стебли и лепестки испускают слабую, пульсирующую зеленую ауру на всем протяжении своей жизни, не нуждаясь в дополнительном поливе люциферином. Пока что этого света недостаточно для того, чтобы ГМ-табак можно было назвать полноценной «живой лампочкой». По словам Карена Саркисяна, растение можно сравнить с фосфоресцирующим циферблатом наручных часов, который заметен только в глубокой темноте, «если знать, куда смотреть».

Тем не менее ученые уверены, что доработать растение удастся достаточно быстро. «Во-первых, можно модифицировать грибные ферменты, чтобы повысить их активность и сделать свечение более интенсивным, — объясняет Карен Саркисян. — Кроме того, мы работаем над „перенастройкой“ самого растения для того, чтобы оно производило больше кофейной кислоты или меньше ее расходовало для иных целей. Добиться этого можно, например, подавив конкурирующие пути ее использования. Пока мы показали, что „лампочка“ светится, теперь осталось сделать ее поярче».

Эксперт «ПМ» — Карен Саркисян, руководитель группы синтетической биологии ИБХ РАН, директор «Планты»: «Биолюминесцентная система точно встроена в метаболизм растения, поэтому чутко реагирует на все изменения в нем. Она визуализирует внутренние процессы и поэтому имеет большие перспективы для биологических исследований»

Даже и мертвенно-зеленый цвет, напоминающий о «грибном» происхождении этого света, может быть изменен. Достаточно заменить люциферин грибов (3-гидроксигиспидин) на родственную молекулу, окисление которой приводит к испусканию света другой длины волны. Еще один способ — дополнить систему новой деталью, пятым белком, который способен поглощать зеленые фотоны и излучать более длинноволновые желтые и красные. Такие флуоресцентные белки известны у некоторых кораллов.

Последние трудности

Биологи надеются, что через два-три года светящиеся растения появятся в продаже. Под крылом ИБХ РАН уже организован биотехнологический стартап «Планта», который будет производить светящиеся растения. Помимо этого, зарегистрирована американская компания Light Bio, которая займется их дистрибьюцией на этом огромном рынке.

«Скорее всего, поначалу это будут комнатные растения, — говорит Карен Саркисян. — Но впоследствии мы собираемся переходить и к более сложным объектам, таким как трава для газонов или даже деревья для уличного освещения». По его словам, связанные с этим технические задачи вполне решаемы, и главной трудностью остается получение разрешений на массовое производство и продажу трансгенных растений. Так что если в 2023-м мы все же так и не увидим растительных «ламп» в магазинах и на прикроватных столиках, то проблема, скорее всего, на стороне регуляторов, а не ученых.