Многие живые организмы умеют светиться, то бишь способны к биолюминесценции – считается, что эта способность возникала в ходе эволюции больше сорока раз. Кто-то светится сам по себе, кто-то, как некоторые кальмары, пользуются чужим светом – биолюминесцирующими бактериями, с которыми удалось наладить симбиоз.

С молекулярно-биохимической точки зрения не все механизмы биолюминесценции мы знаем одинаково хорошо. Среди наиболее изученных – знаменитый зелёный флуоресцирующий белок из медузы Aequorea victoria и система люциферин-люцифераза: фермент люцифераза заставляет светиться вещество люциферин. В разных вариантах система люциферин-люцифераза есть у множества организмов, от бактерий до светлячков.

При этом есть целые группы организмов, которые светиться не умеют – например, растения. Им пришлось дожидаться триумфа генной инженерии, чтобы получить собственный свет. Впрочем, триумф случился не сразу. Первые попытки заставить растения светиться были предприняты в ещё в 80-е годы, когда растениям табака пересадили ген фермента люциферазы из светлячка. Такие растения светились недолго и лишь пока им давали люциферин. Позже, в 2010 году, появились растения табака, которым вмонтировали «световые» гены бактерий – такие растения светились слабо, свет от них можно было увидеть с помощью специального приспособления.

И вот сейчас в Nature Biotechnology вышла статья, в которой сотрудники Института биоорганической химии РАН, биотехнологической компании Планта и других научных центров России и Австрии описывают люминесцирующие растения, чей свет можно увидеть невооружённым глазом. На этот раз в растения табака пересадили гены светящихся грибов. Исследователи полностью расшифровали механизм свечения грибов – оказалось, что для свечения нужна кофейная кислота, которая проходит через четыре фермента. Кислота достраивается до более сложного люциферина, который затем окисляется с испусканием света и потом превращается обратно в кофейную кислоту. (На всякий случай уточним, что кофейная кислота и кофеин – два совершенно разных химических соединения.)

Кофейная кислота есть и в растениях: во-первых, она необходима для синтеза лигнина, который делает клеточные стенки прочными, во-вторых, она нужна для синтеза растительных пигментов, летучих соединений и антиоксидантов. Табаку пересадили грибные гены, отвечающие за биохимию «цикла света» – и растения засветились. У них засветились листья, стебля, корни и цветки, и засветились так, что это можно увидеть обычным глазом и снять на обычный смартфон.

И поскольку кофейная кислота нужна растениям для разных целей, то свечение и растительный метаболизм оказались тесно связаны – по свету можно судить о физиологическом состоянии растений и их реакцию на окружающую среду. Например, свет становится сильнее, если рядом с растением положить кожуру спелого банана – она выделяет растительный гормон этилен, который растения не могут не чувствовать. Молодые побеги, и в особенности цветы, светятся ярче. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз.

Так что светящиеся растения – это не только суперсовременный элемент дизайна и не только демонстрация возможностей генной инженерии. С их помощью мы сможем больше узнать о самых разных генетических, биохимических и физиологических процессах в растениях, от которых, в конечном счёте, зависит вся наша жизнь.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ).