Прогулки в парках со светящимися растениями могут стать реальностью

Это явится одним из результатов международного научного проекта с участием представителей Вятского государственного университета

Наука регулярно доказывает, что наше воображение может стать реальностью, будь то полет на Луну или превращение ветра в электричество. Теперь ученые всерьез занимаются созданием деревьев, которые могут светиться ночью, и рассматривают их как потенциальную замену уличным фонарям. Это явится не только решением глобальной проблемы (на долю уличного освещения приходится около 20% мирового потребления энергии), но также предоставит высокий декоративный потенциал.

Как же можно получить светящееся растение? Эта идея впервые возникла в 2017 году у ученых Массачусетского технологического института, которые изучали естественный свет, излучаемый такими организмами, как светлячки, некоторые виды медуз и водорослей. Это свойство свечения, называемое биолюминесценцией, вызвано химической реакцией фермента под названием люцифераза, который производит свет в ходе окисления молекулы субстрата люциферина. Ученые использовали методы нанотехнологии и генетической инженерии, чтобы внедрить фермент и молекулы субстрата в структуру растения, заставляя его слабо светиться в темноте в течение примерно четырех часов.

Сейчас эта технология сталкивается со многими ограничениями и трудностями. Сложно внедрить чужеродные молекулы в другие организмы, в частности в растения, не разрушая организма-хозяина. Кроме того, светящиеся растения не излучают достаточно света и не светятся достаточно долго, чтобы их можно было использовать на практике. Эту проблему стало возможным решить благодаря открытию уникальной биолюминесцентной системы тропического гриба Neonothopanusnambi. Такая система является полностью замкнутой и носит автономный характер. Грибной люциферин, окисляясь с люциферазой, затем конвертируется снова до исходного состояния. Таким образом, по аналогии можно говорить о вечном светящемся процессе как о вечном двигателе, работающем без приложения внешних усилий. Следовательно, для приложения данной биолюминесцентной системы на практике необходимо детально изучить все ее компоненты, которыми являются ферменты.

Недавно престижный журнал «Биоорганическая химия» подвел итоги ежегодного конкурса научных статей. По итогам 2021 года диплома II степени удостоена публикация «Генно-инженерный синтез и свойства гиспидин-3-гидроксилазы – ключевого фермента биосинтеза люциферина грибов», основными авторами которой явились доцент кафедры биотехнологии ВятГУ Андрей Герасимов и магистрант Сергей Рогожкин. В роли соавторов выступили другие участники большой международной команды во главе с доктором наук Ильей Ямпольским, зав. отделом биомолекулярной химии Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

 Для того, чтобы описать этот процесс, необходимо изучить задействованные в нем ферменты. Мы в Институте биологии и биотехнологии ВятГУ взялись за исследование гиспидин-3-гидроксилазы – фермента, гидроксилизирующего вторичный метаболит– гиспидин, и отразили результаты работы в научной статье. Фактически в ней нашла отражение одна из ключевых стадий процесса - биосинтез люциферина (3-гидроксигиспидина), отвечающего за свечение. Помимо этого, мы впервые описали биохимические свойства данного фермента, нашли его уникальные кофакторы и условия функционирования invitro, - 

рассказал Андрей Герасимов.

Сведение результатов, достигнутых на разных участках исследования, воедино и получение общего итога работы команды даст полную картину, а в дальнейшем понимание, как можно «руководить» замкнутым механизмом свечения грибов.

 Мы сможем научиться регулировать процесс, улучшить его, сделав свечение более ярким и длительным; возможно, с использованием другого цвета, - 

пояснил Андрей Сергеевич.

Изучение уникальной биологической «лампочки» открывает широкий спектр возможностей ее применения: от трансплантации системы в растения с приданием им соответствующих свойств до создания новых методов молекулярной фармакологии с целью тестирования активности лекарственных препаратов методами биолюминесценции в течение продолжительного периода времени. Это находит отражение в появлении уникальных диагностических технологий, позволяющих анализировать и разрабатывать лекарственные препараты нового поколения.

Фото: доцент Андрей Герасимов, магистрант Сергей Рогожкин
Видео: светящие в темноте растения, созданные в Planta, биотехнологическом стартапе в Москве, совместно с зарубежным партнером