Российские генетики впервые вырастили растения, которые могут светиться в темноте без добавления каких-либо веществ или облучения ультрафиолетом. Для этого в ростках табака Nicotiana tabacum пришлось экспрессировать четыре фермента из биосинтетического пути светящегося гриба, который та же команда ученых описала ранее. Препринт статьи с фотографиями и видео авторы выложили на bioRxiv.
Обновлено: в апреле 2020 года статья опубликована в Nature Biotechnology.
Биолюминесценция позволяет испускать видимый свет за счет окисления субстрата (люциферина) специальным ферментом люциферазой. Эта система есть у некоторых животных (таких как черви и насекомые) и грибов, но светящихся растений в природе не существует. Год назад мы рассказывали, как исследовательская группа из Института биоорганической химии РАН под руководством Ильи Ямпольского описала путь биосинтеза люциферина у светящегося гриба Neonotopanus nambi и идентифицировала ген, кодирующий грибную люциферазу. Оказалось, что грибной люциферин представляет собой производную кофейной кислоты — обычного метаболита растений.
В новой работе ученые из ИБХ РАН и компании Planta LLC вставили в геном растений табака (одного из любимых объектов генных инженеров) недостающие для биолюминесценции гены гриба — два фермента биосинтеза грибного люциферина (гиспидина) из кофейной кислоты, ген люциферазы и дополнительный фермент для превращения окисленного люциферина обратно в кофейную кислоту. По утверждению генетиков, свечение ГМ-растений видно в темноте невооруженным глазом, при этом никаких дополнительных веществ или условий для биолюминесценции не требуется. Свечение можно зафиксировать на «бытовую» фотокамеру с выдержкой, и даже на камеру хорошего смартфона.
Судя по всему, «встроенная» люцифераза в растениях — удобный репортер для мониторинга множества биологических процессов. К примеру, авторы статьи показали, что свечение листьев усиливается при повреждении ткани и при действии растительных гормонов. Кроме того, это просто красиво. Пока что свечение довольно слабое, но теоретически его можно усилить за счет «тюнинга» экспрессии ферментов биосинтетического пути. Ученые также предполагают, что этот биосинтетический путь можно воссоздать и у животных, если дополнить его парой ферментов синтеза кофейной кислоты из аминокислоты тирозина.
Кроме биолюминесценции, живые организмы могут светиться за счет флуоресценции, то есть обратного излучения поглощенного света. Наиболее изученные и используемые в лабораториях флуорофоры — это флуоресцентные белки, например зеленый флуоресцентный белок (GFP) медузы. Чтобы увидеть флуоресценцию, ее надо сначала возбудить, как правило, ультрафиолетовым облучением. При этом для детекции биолюминесценции никакого дополнительного освещения не требуется, что делает описанную систему перспективным инструментом для исследований.
Недавно мы
также про новый механизм биофлуоресценции, описанный у акул — он реализуется не за счет белков, а за счет малых молекул — продуктов метаболизма триптофана.