Говоря об этой работе, подчеркнем ее коммерческий успех. Это особенно важно сегодня, когда одним из главных требований к науке становится внедрение ее результатов. Так вот светящее растение привлекло внимание покупателей из более чем десятка стран, а уже реально продается в США и Канаду.
Но, конечно, не только это убедило авторитетное жюри присудить престижную премию доктору химических наук Илье Ямпольскому из Института биоорганической химии РАН. Главное достижение лауреата в том, что ему впервые в мире удалось разобраться в одном из сложнейших механизмов манипулирования генами.
В чем суть этого прорыва? Отметим, что идея заставить растение светиться появилась, как только ученые научились работать с генами, в частности, переносить их из одного организма в другой. И в данном случае сама технология создания светящихся растений представлялась очевидной. Надо взять созданные природой светящиеся бактерии или животных, выявить в них ответственные за люминесценцию гены, а затем перенести их в геном растения.
И такие эксперименты были сделаны в нескольких лабораториях мира, и растения действительно стали светиться. Но... Мало того что свет оказался очень слабым, он еще и постепенно ослаблялся. Простой перенос генов из мира фауны в мир флоры срабатывал плохо. Словом, задача, что называется, в лоб не решалась. Требовалось разобраться в механизме свечения. И это удалось команде Ильи Ямпольского.
- В качестве донора мы взяли один из видов светящихся грибов, - рассказывает ученый. - Вначале надо было разобраться, а почему грибы вообще светятся. Оказалось, чтобы свет появился, в грибе должен произойти каскад из четырех превращений. На каждом из них под действием определенного фермента одно вещество превращается в другое. И только на последней стадии появляется свет.
Таким образом, ученым удалось выяснить, что в "производстве" света участвует 4 конкретных фермента, и каждый кодируется своим геном гриба. Их ученые и перенесли в геном одного из сортов табака. Но растение ярко не вспыхнуло, свечение оказалось таким же слабым, как и у предыдущих экспериментаторов.
- Мы и не ожидали, что наш табак сразу ярко засветится, - говорит Ямпольский. - Было понятно, что перенос четырех генов - самая простая часть работы, а впереди самая сложная - тонкая наладка их работы. Чтобы они функционировали в этом квартете оптимально, а не как в знаменитой басне Крылова.
Для такой отладки ученые применили сразу несколько известных методик, в частности, метаболическую инженерию и направленную эволюцию ферментов. В итоге таких манипуляций удалось яркость света увеличить в 1000 раз по сравнению с первоначальным вариантом. Причем время над этим эффектом не властно, он вообще не ослабевает. Растение светится от рождения до завершения своего жизненного цикла.
Ученые уверены, что подобные превращения можно делать практически с любыми декоративными растениями, например, петуниями, розами, барвинками и т.д. А в перспективе попробовать заставить светиться деревья, например, в парке или для освещения улиц.
Важно отметить еще важнейшую особенность этой технологии, на что обратило внимание жюри. Она открывает принципиально новые возможности, чтобы наблюдать в реальном времени происходящие в растениях процессы, а значит, будущие биоинженеры получают принципиально новый инструмент для своих экспериментов. Например, для придания растениям полезных свойств - устойчивости к вредителям, повышения урожайности, разработки новых средств защиты растений и так далее.
Человечество обратило нимание на биолюминесценцию еще в античные времена, например, Аристотель описывал свет, излучаемый мертвой рыбой и мясом, а Плиний Старший упоминал свечение сырой древесины и других природных источников света. Но сама природа "живого света" долгое время оставалась непонятной. Лишь в XYII веке выдающийся естествоиспытатель, один из основателей Лондонского королевского общества Роберт Бойль, сумел доказать химическую природу биолюминесценции. Проводя серию экспериментов, он установил, что для этого процесса, как и для горения, необходим кислород.
Еще долгое время в науке существовало мнение, что люминесценция живых организмов вызвана свечением белого фосфора, находящегося где-то в тканях. Лишь в 1880-х годах французский фармаколог Рафаэль Дюбуа сумел доказать, что фосфор здесь вообще ни при чем, а для свечения, помимо кислорода, нужны два компонента: особый белок и органическая молекула-субстрат. Дюбуа предложил называть белок-фермент люциферазой, а молекулу-субстрат люциферином, заложив основу для биохимического понимания свечения.
В XX веке биолюминесценция была исследована с точки зрения биохимии и молекулярной биологии: начали выделять и очищать ферменты, выяснять, какие молекулы и условия нужны для реакции. Сейчас она важный инструмент для наблюдиния различных процессов в клетках и организмах.