(Anlage) Das leuchtende Gewächshaus unserer Träume ist noch so weit entfernt, aber es ist gerade einen verlockenden Schritt näher gekommen.
Wissenschaftler haben eine Pflanze gentechnisch verändert, die nicht nur ein sichtbares Leuchten, sondern ein selbsterhaltendes Leuchten aufweist, das für die Dauer des Lebenszyklus der Pflanze anhält.
Es ist eine atemberaubende Verbesserung gegenüber früheren leuchtenden Pflanzen. Es ist heller als frühere gentechnisch veränderte Tabakpflanzen und muss nicht mit Chemikalien gefüttert werden, um die Lumineszenz aufrechtzuerhalten. Außerdem ist die Leuchtdauer viel länger als bei leuchtenden Pflanzen, die damit hergestellt werden pflanzliche Nanobionik .
Natürlich denken wir alle sofort an etwas Atemberaubendes Benutzerbild Ein Nachtgarten im Stil eines Nachtgartens, der in der Dunkelheit glitzert und schimmert, und – in weiterer Zukunft – eine Verringerung unserer Abhängigkeit von elektrischer Beleuchtung.
Aber leuchtendes Grün könnte uns auch helfen, die Pflanzen selbst zu verstehen – wie ihr Stoffwechsel funktioniert und wie sie auf die Welt um sie herum reagieren.
Das Team arbeitete an zwei Tabakpflanzenarten. Und im Gegensatz zu früheren gentechnisch veränderten leuchtenden Pflanzen, die biolumineszierende Bakterien oder Glühwürmchen-DNA verwendeten, wurden diese Pflanzen mithilfe der DNA biolumineszierender Pilze hergestellt.
„Obwohl bakterielle Biolumineszenzgene gezielt auf Plastiden gerichtet werden können, um Autolumineszenz zu erzeugen, ist dies technisch umständlich und erzeugt nicht ausreichend Licht.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Der Kaffeesäurezyklus, ein Stoffwechselweg, der für die Lumineszenz in Pilzen verantwortlich ist, war kürzlich charakterisiert . Wir berichten über Lichtemission in Nicotiana tabacum Und Nicotiana benthamiana „Pflanzen ohne Zusatz von exogenem Substrat durch den Einbau von Pilz-Biolumineszenzgenen in das Kerngenom der Pflanze.“
Es war nur Ende 2018 dass ein Forscherteam (von denen viele auch an dieser neuen Forschung arbeiteten) einen Artikel über die Biosynthese von Pilzen veröffentlichte Luciferin , die Verbindungen, die in Leuchtpilzen ein Leuchten erzeugen.
Sie entdeckten, dass diese Pilze Luciferin aus einer Verbindung namens Kaffeesäure synthetisieren, die von vier Enzymen bearbeitet wird. Zwei Enzyme arbeiten daran, Kaffeesäure in eine lumineszierende Vorstufe umzuwandeln; Ein drittes Enzym oxidiert diesen Vorläufer, um ein Photon zu erzeugen. Das vierte Enzym wandelt das Molekül dann wieder in Kaffeesäure um, die im gleichen Prozess recycelt werden kann.
Und hier wird es interessant – denn Kaffeesäure (kein Bezug zu Koffein ) kommt in allen Pflanzen vor. Es ist der Schlüssel zur Biosynthese von Lignin , das Holzpolymer, das pflanzlichen Zellwänden Steifheit und Festigkeit verleiht.
Das Team kam zu dem Schluss, dass es daher möglich sein könnte, Pflanzen gentechnisch so zu verändern, dass sie einen Teil ihrer Kaffeesäure für die Biosynthese von Luciferin verwenden, wie in gezeigt biolumineszierende Pilze .
Sie kombinierten ihre Tabakpflanzen mit vier mit Biolumineszenz verbundenen Pilzgenen und kultivierten sie sorgfältig. Und sie fanden heraus, dass die Pflanzen vom Sämling bis zur Reife mit einem Licht leuchteten, das mit bloßem Auge sichtbar war – ohne erkennbare Auswirkungen auf die Gesundheit der Pflanze.
„Der Gesamtphänotyp, der Chlorophyll- und Carotinoidgehalt, die Blütezeit und die Samenkeimung unterschieden sich im Gewächshaus nicht vom Wildtyp-Tabak, mit Ausnahme einer 12-prozentigen Steigerung der mittleren Höhe transgener Pflanzen.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Dies deutet darauf hin, dass die Expression des Kaffeesäurezyklus im Gegensatz zur bakteriellen Biolumineszenz in Pflanzen nicht toxisch ist und zumindest im Gewächshaus keine offensichtliche Belastung für das Pflanzenwachstum darstellt.“
Sie fanden heraus, dass jüngere Teile der Pflanze am hellsten leuchteten, wobei die Blüten am hellsten wuchsen. Diese erzeugten den Forschern zufolge rund eine Milliarde Photonen pro Minute. Das ist nicht annähernd genug, um es lesen zu können, aber es ist hell genug, um deutlich sichtbar zu sein.
Außerdem sei sie etwa zehnmal heller als andere gentechnisch veränderte leuchtende Pflanzen, sagten die Forscher. Es ist nicht ganz die hellste Pflanze, die produziert wurde; Diese Ehre gebührt der Brunnenkresse, die von Wissenschaftlern am MIT mithilfe einer Technik namens „Pflanzen-Nanobionik“ hergestellt wurde Glühen von etwa einer Billion Photonen pro Sekunde … aber es dauerte nur 3,5 Stunden.
Das Team stellte fest, dass dieses neue langfristige, sich selbst erhaltende Leuchten als Indikator dafür dienen könnte, wie die Pflanzen auf ihre äußere Umgebung reagierten. Wenn sie beispielsweise eine Bananenschale in die Nähe legten, würden die Pflanzen als Reaktion auf das emittierte Ethylen heller leuchten.
Das ebenfalls beobachtete Flackern und Wellen im Licht, die durch normalerweise verborgene interne Stoffwechselprozesse erzeugt werden, lässt darauf schließen, dass diese Forschung eine interessante Möglichkeit zur Untersuchung der Pflanzengesundheit sein könnte.
„Durch die Ermöglichung einer autonomen Lichtemission können dynamische Prozesse in Pflanzen überwacht werden, einschließlich Entwicklung und Pathogenese, Reaktionen auf Umweltbedingungen und Auswirkungen chemischer Behandlung.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Da die Notwendigkeit einer exogenen Zugabe von Luciferin oder anderen Substraten entfällt, sollten diese Lumineszenzfähigkeiten besonders nützlich für Experimente mit im Boden wachsenden Pflanzen sein.“
Unterdessen arbeitet das Team daran, die Forschung auszuweiten. Sie haben beliebte Blütenpflanzen wie Strandschnecken, Petunien und Rosen gentechnisch verändert. Sie versuchen auch, ein noch helleres Leuchten und unterschiedliche Farben zu erzeugen. Und sie denken viel, viel größer.
„Obwohl Kaffeesäure nicht in Tieren vorkommt, könnte autonome Lumineszenz auch bei Tieren ermöglicht werden“, Sie schrieben .
Würde nicht Das etwas sein.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturbiotechnologie .