Биолюминесценция: можно ли использовать светящиеся растения. Светящееся растение
Живая биолюминесценция | Журнал Популярная Механика
Путь наночастиц
Другой подход удалось нащупать в том же 2010 году — когда-нибудь эта дата будет особо отмечена в истории создания светящихся растений. Тогда Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване искали подходы к усовершенствованию светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами — что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Возникающий на их сложной поверхности плазмонный резонанс позволяет на порядки усилить флуоресцентный сигнал, в том числе и слабое естественное свечение хлорофилла, вызванное взаимодействием с фотонами определенной длины волны.
Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение. Идею подхватили по другую сторону океана, в лаборатории Майкла Страно, найдя новый и, возможно, самый многообещающий путь к получению биолюминесцентных растений.
Путь синтеза
Профессор Массачусетского технологического института Майкл Страно уверен в успехе не меньше предшественников. «Наша цель — разовая обработка саженца или взрослого растения, которая будет иметь эффект в течение всей его жизни», — сказал он, комментируя разошедшиеся по интернету снимки светящихся листьев жерухи, родственника кресс-салата. Ведь если путь генов требует новых ГМ-растений, то наночастицы способны проникнуть в уже растущие по бульварам деревья. И если у нас не получается перенести сами гены, то можно вооружиться уже готовым биолюминесцентным комплексом молекул.
Демонстрируя новый подход, Страно и его коллеги вымачивали растения в растворе наночастиц, содержащих люциферазу и необходимые ей вещества — люциферин и кофермент А. По мере высвобождения реагентов в листьях шло окисление: варьируя структуру наночастиц, ученые контролировали темп этого процесса и добились четырех часов непрерывного излучения. Конечно, о деревьях-фонарях речи пока не идет: 10-сантиметровое растение производит менее 0,5 мкВт — на порядки меньше, чем нужно для чтения. Однако ученые полны уверенности, что новый путь приведет их к растениям, ярко светящимся всеми цветами.
В самом деле, в природе существует много биолюминесцентных систем, а не так давно биохимики ИБХ РАН синтезировали и пару искусственных аналогов, реакции которых сопровождаются испусканием излучения разных цветов. И если задача перенесения биолюминесцентного комплекса будет решена, то мы сможем получать живые светильники практически любого нужного оттенка. Сияющий огнями ночной лес затмит картины «Аватара», хотя и настольная лампа из светящихся листьев обязательно заденет самые глубокие струны души.
Максим Дубинный, научный сотрудник лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН
«Создание автономно биолюминесцентного растения или животного — задача намного более сложная, чем разработка ГМ-организмов, по поводу которых сейчас идет увлеченная дискуссия. В нашей команде под руководством Ильи Ямпольского эта тема была возвращена несколько лет назад практически из забытья. Зато теперь у нас почти готовы новые яркие результаты, о которых не стоит говорить подробнее до выхода научных публикаций. Могу сказать только одно: они уже светятся».
www.popmech.ru
можно ли использовать светящиеся растения — Rei Red
К растительным настольным лампам, к деревьям-фонарям и лесам, полным живой биолюминесценции, ведет несколько путей. И мы уже начали движение по ним: свет виден не так далеко за горизонтом.
Прежде всего это красиво. Есть тут нечто, задевающее самые глубокие струны души — недаром светящиеся деревья «Аватара» оставляют такое сильное и долгое впечатление. Наконец, это удобно: растения самостоятельно производят энергию, прекрасно адаптированы к уличным условиям и сами восстанавливаются при повреждениях. Недаром стартап Glowing Plant, который несколько лет назад искал 65 тыс. долларов на создание биолюминесцентных растений, стремительно набрал почти полмиллиона. «Такое сочетание простоты, фантастичности и реализуемости встречается редко, — объяснил успех основатель Glowing Plant Энтони Эванс. — 99% людей считают, что такого не бывает. На самом деле это уже в определенной степени факт».
Действительно, в природе существует множество различных биолюминесцентных систем, которые независимо развились у бактерий и грибов, кишечнополостных и членистоногих. Нужно заставить работать такую систему (обычно она включает фермент люциферазу и необходимые для ее работы молекулы люциферина) в растении и при этом не вредить ему. Задача понемногу решается: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Повторить работу для растений — для невзрачной на вид, но прекрасно изученной генетиками резуховидки Таля — и собирался Энтони Эванс.
Путь генов
Уверенности стартапу придавала и другая работа 2010 года. В ней Александр Кричевский описал получение ГМ-растений табака, хлоропласты которых содержат шесть генов «светящегося» lux-оперона фотобактерий. Кричевский основал собственную компанию, которая торгует побегами биолюминесцентной линии с названием, отсылающим к деревьям из того же «Аватара» — Starlight Avatar Celestine. Это единственное светящееся растение, которое можно купить сегодня, хотя оно не отличается ни яркостью, ни даже жизнестойкостью. Обещается, что растения проживут 2−3 месяца и «будут различимо светиться в темноте в течение всего этого срока». Энтони Эванс решил, что у него получится решить эти проблемы.
Специалистам его обещания показались чересчур самонадеянными, однако публике идея понравилась. Начав кампанию по сбору средств на платформе Kickstarter, Эванс пообещал всем вложившимся семена светящейся резуховидки, как только те будут получены. Удачный ход позволил привлечь больше 480 тыс. долларов: денег оказалось достаточно, и стартап проработал несколько лет, прежде чем Эванс признал, что технические проблемы его команда решить не в состоянии. Перенесение целой группы генов в нужные участки хромосом в ядре такого сложного организма остается пока невыполнимой задачей.
Путь наночастиц
Другой подход удалось нащупать в том же 2010 году — когда-нибудь эта дата будет особо отмечена в истории создания светящихся растений. Тогда Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване искали подходы к усовершенствованию светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами — что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Возникающий на их сложной поверхности плазмонный резонанс позволяет на порядки усилить флуоресцентный сигнал, в том числе и слабое естественное свечение хлорофилла, вызванное взаимодействием с фотонами определенной длины волны.
Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение. Идею подхватили по другую сторону океана, в лаборатории Майкла Страно, найдя новый и, возможно, самый многообещающий путь к получению биолюминесцентных растений.
Путь синтеза
Профессор Массачусетского технологического института Майкл Страно уверен в успехе не меньше предшественников. «Наша цель — разовая обработка саженца или взрослого растения, которая будет иметь эффект в течение всей его жизни», — сказал он, комментируя разошедшиеся по интернету снимки светящихся листьев жерухи, родственника кресс-салата. Ведь если путь генов требует новых ГМ-растений, то наночастицы способны проникнуть в уже растущие по бульварам деревья. И если у нас не получается перенести сами гены, то можно вооружиться уже готовым биолюминесцентным комплексом молекул.
Демонстрируя новый подход, Страно и его коллеги вымачивали растения в растворе наночастиц, содержащих люциферазу и необходимые ей вещества — люциферин и кофермент А. По мере высвобождения реагентов в листьях шло окисление: варьируя структуру наночастиц, ученые контролировали темп этого процесса и добились четырех часов непрерывного излучения. Конечно, о деревьях-фонарях речи пока не идет: 10-сантиметровое растение производит менее 0,5 мкВт — на порядки меньше, чем нужно для чтения. Однако ученые полны уверенности, что новый путь приведет их к растениям, ярко светящимся всеми цветами.
В самом деле, в природе существует много биолюминесцентных систем, а не так давно биохимики ИБХ РАН синтезировали и пару искусственных аналогов, реакции которых сопровождаются испусканием излучения разных цветов. И если задача перенесения биолюминесцентного комплекса будет решена, то мы сможем получать живые светильники практически любого нужного оттенка. Сияющий огнями ночной лес затмит картины «Аватара», хотя и настольная лампа из светящихся листьев обязательно заденет самые глубокие струны души.
Источник
redbod.ru
почему так сложно сделать светящиеся растения
Несколько лет назад на Kickstarter был очень популярен проект Glowing Plant: тем, кто его поддержит, всего лишь через год обещали выслать семена светящихся растений. Но светящихся растений все еще нет, хотя эксперименты по их созданию идут уже не первый десяток лет. Почему все так сложно, «Чердаку» рассказал Илья Ямпольский, руководитель группы синтеза природных соединений Института биоорганической химии РАН.
Светящееся растение? Нет, не видели
— Я когда-нибудь получу свое растение? Уже годы прошли. Мне просто любопытно.
— Как мне получить свои 40 долларов обратно?
— Я уже махнул рукой на это дело и считаю, что просто потерял деньги.
Такие комментарии в избытке можно найти на странице проекта Glowing plant в Facebook. В 2013 году группа ученых начала кампанию по сбору денег на создание светящихся растений. Идея авторов проекта звучит довольно просто по нынешним временам: взять гены, которые позволяют бактериям светиться, собрать из них единый фрагмент, вставить нужную последовательность в геном резуховидки и получить светящееся растение. Поначалу все шло отлично — проект собрал почти полмиллиона долларов. Но никаких светящихся растений его подписчики так и не увидели, а авторы переключились на создание мха, пахнущего пачулями.
Растения, рыбы и бактерии
Ученые за последние годы создавали кошек, кроликов и даже овец, которые могут светиться благодаря встроенным в их ДНК генам флуоресцентных белков. Есть даже декоративные рыбки GloFish, которые продаются для домашних аквариумов.
«GloFish — это рыбы, которые светятся благодаря флуоресцентным белкам. В природе такие белки встречаются у многих медуз, некоторых рачков и даже наших с вами далеких родственников, самых примитивных хордовых — ланцетников. Эти белки искусственно внедрены с помощью методов генной инженерии во многие другие организмы: в столь успешно продающихся GloFish, в мышей, а также во многие растения», — рассказал Ямпольский.
Флуоресцентные рыбки GloFish
Флуоресцентные белки также получили широкое распространение в молекулярной биологии, поскольку их можно использовать в качестве метки, которая будет вырабатываться вместе с определенным белком и позволит посмотреть, когда этот белок начинает образовываться в организме и где именно.
«Почему же при этом рыбы продаются, а растений в продаже мы не видим? Ответ кроется в природе флуоресценции: флуоресцентные белки светятся только в ответ на облучение их светом. Как во многих процессах, часть энергии теряется, и на выходе получается свет с другой длиной волны, то есть другого цвета. GloFish светятся не всегда, а только если на них светить ультрафиолетом, вот тогда они и становятся похожи на модниц на дискотеке», — объяснил ученый.
Флуоресцентные мышата
Сложнее, чем кажется
Идея проекта Glowing Plant в том, что растение должно светиться само по себе, а для этого нужен другой механизм — биолюминесценция.
Биолюминесценция — это свечение живых организмов, и встречается она среди тысяч очень различающихся видов, в основном морских. «Для того чтобы применять биолюминесценцию, необходимо знать, как она работает, но для многих организмов на этот вопрос до сих пор нет ответа. В основе природы свечения всегда лежит химическая реакция, а вот химическое строение ее участников — индивидуальная особенность каждого организма. Этим мы и занимаемся. Наша основная задача — узнать, как устроены светящиеся молекулы люциферин и люцифераза и как происходит сама химическая реакция», — рассказал Ямпольский.
Заставить растение или другой организм светиться благодаря механизму биолюминесценции — куда более сложная задача, чем просто встроить в ДНК ген флуоресцентного белка. В относительно простом варианте, который был реализован уже в 1986 году, в ДНК табака встроили ген люциферазы светлячка и поливали растение раствором с люциферином. Получившийся в результате табак действительно светился, что можно увидеть на его фотографии, сделанной с выдержкой в 24 часа.
«Идеальный вариант, который пока не удался никому, включает в себя расшифровку всего пути биосинтеза люциферина, который может быть многоэтапным процессом с участием большого числа белков. Потом — встраивание в геном другого организма генов, кодирующих все эти белки и люциферазу. На данный момент расшифрован биосинтез только бактериального люциферина, однако эта система тяжело адаптируется к растениям и животным. И реализация такого подхода мне представляется маловероятной», — отметил исследователь.
«Лампа» из генетически модифицированных светящихся бактерий кишечных палочек
«По разным оценкам, существует около 40 различных люциферинов и механизмов биолюминесценции. До недавнего времени было известно лишь семь структур люциферинов. Однако благодаря работе нашего научного коллектива за последние три года были установлены еще три новые структуры — люциферина сибирского почвенного червя вида Fridericia heliota, а также люциферина и люциферазы высших грибов. Мы не только знаем, как устроены эти молекулы, — мы умеем их синтезировать, понимаем, как именно происходят химические реакции свечения, умеем запускать их в пробирке и даже управлять цветом, правда, пока ограниченно. На подходе — структура люциферина многощетинкового червя, в более ранней стадии исследования — еще несколько объектов: моллюски, полихеты, акулы и другие», — рассказал исследователь.
Возможности применения биолюминесценции многообразны. В промышленности — для быстрого определения бактериального загрязнения, в науке — для изучения различных процессов, например при создании лекарственных препаратов. На сегодняшний день оборот биолюминесцентных технологий оценивается в миллиарды долларов в год.
«Задача создания биолюминесцирующего растения — одна из самых амбициозных и интересных с научной точки зрения. Однако мы еще не вышли на завершающий этап и хвастаться пока не будем. Тем не менее мы трудимся в этом направлении и, возможно, однажды сможем подарить миру самостоятельно светящееся растение», — сказал ученый.
Материал помогали готовить коллеги Ильи Ямпольского — Надежда Маркина и Зинаида Осипова.
Фото: Пример биолюминесценции в природе: медуза Aequorea victoria. Фото: Denise Allen/Flickr
nauchkor.ru
Светящиеся растения придут на смену фонарям
Помните светящиеся растения в фильме «Аватар»? Фантастическая красота! Правда, и фильм фантастический, но сама идея о создании биолюминесцентных растений, похоже, начинает воплощаться в жизнь. Это может помочь решить проблему энергозатрат на освещение улиц и наших домов, на которое в настоящее время расходуется до 20% всего производимого электричества. Большие надежды первоначально возлагались на генную инженерию. Известно, что некоторые живые организмы способны светиться. Самым ярким таким примером являются светлячки. Именно их гены, а также гены люминесцентных бактерий учёные внедряли в растения (табак и др.), но добиться того, чтобы эти гены работали в нужных органах растений, пока не очень получается.
Другая группа исследователей из Массачусетского технологического института решила использовать нанотехнологии, чтобы добиться контролируемого свечения у растений. Для этого в них вводились специально созданные кремниевые и полимерные наночастицы различных размеров, перемещение которых внутри растения осуществлялось по строго определённым направлениям.
Каждая частица содержала одно из трех веществ: • люциферин, испускающий свет;• люциферазу, необходимую для его модификации, чтобы он светился; • кофермент А, способный повышать активность люциферазы.
Эти частицы под давлением в водной среде исследователи внедряли в устьица кресс-салата и других подопытных из мира флоры. Благодаря тому, что размер и поверхностный заряд у наночастиц разные, можно было проконтролировать, в каких именно тканях растения окажутся введённые вещества. Свечение можно и отключить. Для этого достаточно ввести соединение, которое блокирует действие люциферазы.
В результате был получен светящийся кресс-салат, у которого свечение получилось в 100 тысяч раз более ярким, чем у генно-модифицированного табака, и соответствовало примерно половине яркости светодиода мощностью 1 мкВт. Для сравнения: чтобы читать, нам требуется свет в тысячу раз ярче, к тому же кресс-салат светится всего четыре часа. Но экспериментаторы уверены в перспективности своей идеи и нацелены на создание растений, способных светиться в течение всего периода их существования. Только представьте себе: наши улицы будут освещать не фонари, а деревья, а дома светящееся растение в горшке заменит ночник.
Источник: sciencedaily.com
24gadget.ru
Учёные создали светящиеся растения, и они как из "Аватара"
Учёным из Массачусетского технологического института удалось создать растения, которые умеют светиться в темноте. Причём свет от них настолько яркий, что возле них можно даже читать книгу. И выглядят они так, что Джеймсу Кэмерону стоит к ним присмотреться перед съёмками нового «Аватара».
Создать растение, которое могло бы заменить собой настольную лампу, — такую цель поставили перед собой учёные из института MIT. И это им удалось. Они сумели привить капусте, кресс-салату и шпинату люцеферазу — фермент, который заставляет светиться светлячков.
Сперва исследователям удалось получить растения, которые светятся на протяжении 45 минут. Но потом продолжительность процесса удалось увеличить почти до трёх часов.
Читайте на Medialeaks: Гендерное равенство и соцсети по паспорту. Какие ещё законопроекты будут рассматривать за время ЧМ-2018
Особо сильную химическую реакцию дал салат. Его яркость можно сравнить с яркостью светодиода. Кстати, это не первое подобное исследование. В 2013 году похожий опыт пытались провести участники проекта Glowing Plant, которые собрали для своей цели почти полмиллиона долларов на Kickstarter. Они планировали изменить ДНК растения, однако это им не удалось.
В отличие от предыдущей работы, учёные из MIT не меняли ДНК, а смогли, грубо говоря, «накачать» растения необходимым ферментом. Да и денег на разработку у них было побольше. Проект финансируется правительством США. В итоге получилось вот такое чудо.
Несмотря на то, что работа пока находится в начальной стадии, учёные надеются, что когда-нибудь подобные растения смогут освещать целые комнаты и даже улицы, пишет NYP.
У растений есть регенерация и собственная энергия, они уже адаптированы к окружающей среде. Мы считаем, что это идея, время для которой пришло.
Кстати, помимо «Аватара» некоторые растения можно запросто снимать в фильмах ужасов. У нас есть целая подборка растений и грибов, на которые нельзя смотреть без содрогания. Не хотелось бы, чтобы подобные ещё умели светиться в темноте.
А вот светящееся алоэ могло бы стать роскошным подарком. Как оказалось, даже обычное алоэ способно сводить с ума девушек. Что уж говорить, если оно ещё и светильник заменит.
medialeaks.ru
В США ученые создали светящиеся растения
Хорошая замена уличному освещению.
В Массачусетском Технологическом Институте, под руководством Сеона-Ена Квака, команда ученых создала светящееся растение, при этом не прибегая к генетическим модификациям.
Пользу разработки команда видит в постепенной замене уличного освещения на светящиеся растения, тем самым помогая городам сэкономить энергию, что положительно скажется на экологии.
«Видение разработки заключается в создании растения, которое будет функционировать как настольная лампа, которую не нужно подключать. Свет будет появляться за счет энергии метаболизма», — сказал старший автор Майкл Страно.
Заставить растение загореться помогают как природные процессы, так и специальное вещество состоящее из наночастиц.
Каждое отдельное растение исследователи помещают в раствор под давлением, крошечные поры на нижней стороне листьев открываются и туда попадают наночастицы.
Наночастицы наполнены ферментом люциферазы и молекулами люциферина, химикатами, которые создают биолюминесценцию у светлячков и некоторых светящихся морских животных.
Ученые также добавили молекулу под названием коэнзим а, который удаляет побочный продукт реакции между люциферазой и люциферином, он же может и подавить деятельность люциферазы.
Первичные эксперименты показали, что пока можно добиться достаточно низкой освещенности, 1-микроватт, но показатели можно улучшить.
В 2013 году на Kickstarter был запущен проект по созданию биолюминесцентного растения.
Команда ученых, возглавляемая бывшим маркетологом мобильных приложений, попыталась отредактировать ДНК самого растения, добавив него в гены светлячков или биолюминесцентных бактерий.
Ученые собрали $484 тыс., однако этих денег не хватило на финансирование исследования, и в 2017 году проект был закрыт.
Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram, чтобы быть в курсе самых интересных событий.
quibbll.com
В MIT сделали светящиеся цветы-лампы
Для того, чтобы заставить посевы светиться, ученым не пришлось модифицировать ДНК, зато пригодились наночастицы. В перспективе такие же, но светящиеся ярче и дольше растения предлагается использовать для освещения городов.
Лаборатория Майкла Страно (Michael Strano) из Массачусетского технологического давно занимается экспериментами с растениями: они уже сделали цветы, которые светятся в присутствии в воздухе и почве веществ, которые выделяют зарытые мины, и растения, которые сами сигнализируют о том, что их пора полить — и присылают уведомления на смартфон.
На этот раз в Массачусетсе задумали заменить травой, кустами и деревьями осветительные приборы в помещениях и на улицах. Представьте; на город опускается ночь, и на бульварах и газонах нерезким, но ярким светом начинают светиться деревья и газоны. Так можно сэкономить до 20% от всей электроэнергии, которая тратися в мире — именно столько уходит на освещение. Этот подход сработает и для дома: горшок с цветами может заменить светильник.
Растения — прототипы пока светят не очень ярко — 10 кв.см. низкой травки жерухи обыкновенной (Nasturtium officinale) дает в сотню раз меньше света, чем необходимо, чтобы читать, не напрягая глаз. Но прогресс ученых внушает уважение: первые образцы светились еще тусклее и всего в течение 45 минут, а последние — по 3,5 часа.
Чтобы заставить траву светиться, ученым не пришлось прибегать к помощи генетиков. Вместо того, чтобы заставлять растения производить светящиеся белки (такой подход известен, но свечение получается слишком слабым), ученые ввели в ткань листьев реагенты, которые вступают в химическую реакцию, которая протекает с выделением энергии в виде света. В основе — реакция окисления пигментов из класса люциферинов под действием ферментов — люцифераз; кроме того, ученые добавили кофермент А — для «вывоза мусора»; он способствует выведению побочных продуктов реакции окисления люциферинов в присутствии люцифераз, и тем самым предотвращает ее прекращение.
Для того, чтобы все это попало в ткани растения, ученые создали на основе кремния и органических полимеров наночастицы заданного размера, в которых связали пигменты, ферменты и кофермент. В ткань листьев все это попало после того, как ученые вымочили растения в растворе с наночастицами, а затем подвергли траву обработке повышенным давлением; наночастицы вошли в микропоры (стромы) листов и оказались в фотосинтезирующем слое. Крупные наночастицы оказались в межклеточном пространстве. а самые маленькие, несущие люциферазы, проникли через клеточные мембраны и накопились внутри клеток.
Наночастицы постепенно высвобождали активные вещества; люциферины и кофермент проникали через мембраны клеток и вступали в реакции, в результате которых растения начали светиться.
В перспективе группа Страно надеется сделать технологию еще проще — скажем, придумать спрей или гель, который можно будет наносить на листья, чтобы обеспечивать их свечение. Кроме того, есть идея добавить в «нанококтейль» ингибитор люциферазы, активируемый светом; с ним деревья на городских улицах будут прекращать светиться с первыми лучами солнца.
Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.
www.popmech.ru
