Ученые из Массачусетского технологического института продвинулись к воплощению в реальность пока еще фантастической идеи — сделать из растений источники света. Внедрив в листья жерухи обыкновенной (Nasturtium officinale) специальным образом разработанные наночастицы, они придали растению способность в течение почти четырех часов светиться тусклым, но заметным светом. Предполагается, что дальнейшая оптимизация подхода позволит увеличить как яркость свечения, так и его время, и в обозримом будущем растения смогут светиться достаточно ярко.
Рис. 1. Кустики жирухи обыкновенной (Nasturtium officinale) возрастом 3,5 недель, в которые были введены светящиеся наночастицы, освещают книгу («Потерянный рай» Джона Мильтона). Фотография сделана с большой экспозицией (5 минут) и высокой светочувствительностью (ISO 3200), а для того, чтобы на страницы книги попадало больше света, позади растения разместили отражающий экран (лист бумаги). Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters
Группа профессора Массачусетского технологического института Майкла Страно (Michael S. Strano) уже длительное время занимается нанобионическим изменением растений. Ученые внедряют в их клетки разные типы наночастиц, чтобы придать растениям новые свойства. Например, ранее этой группе удалось в три раза повысить эффективность фотосинтеза в клетках резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) и извлеченных из них хлоропластах (J. P. Giraldo et al., 2014. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing). Страно с коллегами также пытаются «заставить» растения выполнять задачи, которые в настоящее время решаются с применением электрических приборов. В частности, им удалось научить шпинат, способные определять наличие нитросодержащих веществ (в том числе и взрывчатых) в почве и сигнализировать об этом (M. H. Wong et al., 2017. Nitroaromatic detection and infrared communication from wild-type plants using plant nanobionics).
Еще одна цель, которую поставили перед собой ученые, — создание растений, способных решить проблемы освещения. Чтобы в наших домах, на рабочих местах и на улицах и где бы то ни было, было бы светло, расходуется около 20% от всей вырабатываемой людьми электроэнергии. Если хотя бы часть освещения, например, уличного, будут давать растения, то это позволит существенно экономить. До работ Страно в попытках создания светящихся растений использовалась исключительно генетическая модификация: растениям «прививали» либо ген светлячка, отвечающий за выработку этими насекомыми светящихся белковых молекул (D. W. Ow et al., 1986. Transient and Stable Expression of the Firefly Luciferase Gene in Plant Cells and Transgenic Plants), либо состоящий из шести генов оперон, позволяющий светиться бактериям (A. Krichevsky et al., 2010. Autoluminescent Plants). В результате этих экспериментов были созданы растения, способные светиться, однако это свечение было очень малоинтенсивным — всего около 107 фотонов в минуту (для сравнения, обычная стоваттная лампочка «выделяет» порядка 1020 фотонов в секунду).
Свечение насекомых возникает из-за хемилюминесцентной реакции: фермент люцифераза катализирует окисление люциферина кислородом, в результате чего образуется оксилюциферин и выделяется свет. Еще один участник этого механизма — молекула кофермента А — взаимодействует с продуктами окисления, способными понизить (или даже свести на нет) каталитическую активность фермента люциферазы, ингибируя их действие. Ученые также попробовали использовать этот способ, но доставлять хемилюминесцентные реагенты в растения (люциферазу и люциферин растения не вырабатывают) они собирались при помощи специальных наночастиц (рис. 2).
Рис. 2. Механизм хемилюминесценции люциферазы светлячков в присутствии наночастиц. В присутствии аденозинтрифосфата (на схеме — ATP), кислорода (O2) и ионов магния (Mg2+) люцифераза светлячка (Luc, розовые пятна), иммобилизованные на наночастицах из оксида кремния (на схеме наночастицы изображены серыми сферами, агрегат наночастиц и люциферазы обозначен SNP-Luc) катализируют окисление люциферина (LH2, оранжевые точки), который высвобождается из загруженных люциферином наночастиц, изготовленных из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA-LH2). Люциферин «запечатан» в наночастицах с помощью поливинилового спирта (PVA). В результате окисления образуется дегидролюцифериаденилат (L-AMP) — сильный ингибитор люциферазы. Кофермент А (CoA, синие точки) высвобождаемый из хитозановых наночастиц (CS-CoA, желтая сфера) борется с ингибирующим эффектом дегидролюцифериаденилата, восстанавливая активность люциферазы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters
Главная проблема, которая мешает растениям светиться за счет люциферина, заключается в том, что весьма сложно локализовать в той области растения, в которой происходит выработка ряда необходимых для хемилюминесценции субстратов, например аденозинтрифосфата (АТФ), высокую концентрацию люциферина , не вредя при этом самому растению. Люциферин опасен для растительных клеток при концентрациях выше 400 мкмоль/л, в то время как для эффективной хемилюминесценции, которая позволит наблюдать свечение невооруженным глазом, необходима концентрация не менее 1000 мкмоль/л.
Наночастицы, в которых были связаны все три реагента — люцифераза, люциферин и кофермент А, — как раз и были использованы для того, чтобы обезопасить растения от токсичного для них люциферина. Для каждого реагента была подобрана своя наночастица, а все три типа нанопереносчиков состояли из веществ и материалов, которые по стандартам Управления США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов определяются как «в основном безвредные». Благодаря такому подходу реагенты постепенно поступают в растительные клетки, медленно высвобождаются и вступают в реакции, обеспечивающие свечение, не достигая при этом токсичных концентраций и не повреждая растения (рис. 3).
Рис. 3. Меченые наночастицы из оксида кремния (SNP-AF) и из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA-Bodipy) в листьях жерухи обыкновенной, рукколы и шпината.
Изображение получено с помощью флуоресцентной конфокальной микроскопии.
Красным и сине-зеленым обозначены соответственно мембраны клеток и хлоропласты.
Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters
Для переноса фермента-люциферазы исследователи использовали наночастицы диаметром 12 нм из оксида кремния. Для переноса люциферина и кофермента А применялись сферические наночастицы большего размера — 215 и 125 нм, соответственно. Наночастицы для переноса кофермента А были изготовлены из хитозана — производного природного полимера хитина, а наноконтейнеры для люциферина — из биоразлагаемого сополимера молочной и гликолевой кислот. Чтобы вещества, участвующие в процессе хемилюминесценции, попали в листья растений, содержащие их наночастицы суспендировали в воде.
Затем в эту воду погружали каждое растение и в специальном устройстве, нагнетая давление, вводили наночастицы в листья через устьичные щели (рис. 4). Как было установлено, скорость увеличения давления влияет на эффективность накопления наночастиц листьями. Так, при росте давления со скоростью 0,4 атм/с наблюдается максимальное поглощение наночастиц листьями, которое завершается за 3 секунды. Но, как показало изучение листьев под микроскопом, при этом повреждается паренхима листьев. Оказалось, что наиболее успешно наночастицы проникают в листья, не повреждая их мембраны, при скорости нагнетания давления 0,04 атм/с, а скорости нагнетания 0,02 атм/с уже недостаточно для введения наночастиц в листья.
Рис. 4. Ванна для введения наночастиц через устьичные щели растений при повышенном давлении. Росток жерухи обыкновенной полностью погружен в воду, которая подается под давлением. Направление приложения повышенного давления показано желтой стрелкой, а синие стрелки указывают на то, что наночастицы попадают в листья через устьичные щели на обеих сторонах листьев.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters
Частицы, высвобождающие люциферин и кофермент А, были спроектированы таким образом, чтобы (в первую очередь из-за размера) они могли накапливаться во внеклеточной области мезофилла — внутренней части листа, в то время как меньшие по размеру частицы, играющие роль переносчиков люциферазы, могут накапливаться в клетках, образующих мезофилл (рис. 5). Наночастицы из хитозана и сополимера гликолевой и молочной кислот медленно разрушаются, постепенно высвобождая люциферин и кофермент А. Низкомолекулярные вещества постепенно попадают в клетки растения, люцифераза катализирует дающее свечение окисление люциферина, кофермент А обеспечивает постоянную активность фермента, препятствуя его дезактивации, и листья растения начинают светиться.
Рис. 5. Схематическая иллюстрация поведения наночастиц в листьях. Наночастицы, содержащие люциферазу, люциферин и кофермент А, попадают в листья через устьичные щели с обеих сторон листа. Меньшая по размеру наночастица SNP-Luc может внедриться в мезофилл и цитозоль, в то время как большие по размеру PLGA-LH2 и CS-CoA остаются в мезофилле, высвобождая люциферин (LH2, оранжевые точки) и кофермент А (CoA, синие точки) по мере набухания и биоразложения полимерных наночастиц. Высвобожденные люциферин и кофермент А попадают в цитозоль, где при высокой концентрации АТФ протекает реакция окисления люциферина, одним из результатов которой является люминесценция. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters
Также было продемонстрировано, что светящееся растение можно «выключить», добавив в воду, в которой стоит росток, ингибитор люциферазы. Это в перспективе позволит не только в нужное время тушить свет от светящихся растений, но и создать организмы, способные самостоятельно прекращать светиться, реагируя на изменения в состоянии окружающей среды — например, «отключаясь» во время наступления светлого времени суток.
Первые эксперименты позволили получить растения, которые могли светиться около 45 минут, после чего люциферин расходовался, и свечение прекращалось. В ходе работы над проектом время свечения было увеличено до 3,5 часов. Свет, который создает росток жерухи обыкновенной высотой 10 см, хотя он и в тысячи раз интенсивнее света от ГМО-растений (в среднем 3×1010 фотонов в минуту), нельзя назвать интенсивным: он недостаточно силен, чтобы читать при свете растения. Свечение, которым удалось заставить светиться другие растения, изученные в рамках эксперимента, — рукколу и шпинат, — было еще слабее, но эксперименты с ними показали, что подход Страно универсален. Чтобы зафиксировать свечение жерухи с помощью обычного фотоаппарата (рис. 1) потребовалась долгая выдержка при высокой светочувствительности. Тем не менее, Страно с коллегами уверен, что дальнейшая работа над нанобионическими растениями позволит увеличить и время свечения растения, и интенсивность света. Для этого надо еще лучше оптимизировать скорость высвобождения участников реакции хемилюминесценции из наноконтейнеров.
Другое направление развития этой технологии — разработка процесса, облегчающего проникновение наночастиц в листья растений. Желательно, чтобы можно было просто опрыскать дерево или кустарник суспензией, содержащей соответствующие наноконтейнеры с реагентами для хемилюминесценции. Но это — перспектива далеко не ближайшего будущего.
Статья опубликована в Nano Letters
Источник: Аркадий Курамшин elementy.ru
