Wissenschaftler züchten im Dunkeln leuchtende Blumen, indem sie DNA aus biolumineszenten Pilzen einfügen

  • Forscher waren in der Lage, DNA aus bestimmten Pilzen zu nehmen und sie in Pflanzen einzubauen
  • Sie begannen mit der Tabakpflanze, da diese eine relativ einfache Struktur hat
  • Das Verfahren ermöglicht den neuen Pflanzen ein „konstantes und erneuerbares Leuchten“

Pflanzen, die „im Dunkeln leuchtenPflanzen, die im Dunkeln leuchten, wurden von Forschern mit Hilfe von DNA aus Pilzen entwickelt – und sie hoffen, in Zukunft leuchtende Rosen verkaufen zu können.

Ein internationales Forscherteam, das vom Biotech-Startup Planta finanziert wird, fand heraus, dass die Biolumineszenz in einigen Pilzen natürlichen Prozessen in Pflanzen ähnelt.

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Das ermöglichte es ihnen, die Pilz-DNA zu nehmen und neue Pflanzen zu schaffen, die viel heller leuchten, als es mit anderen Techniken in der Vergangenheit möglich war.

Bislang haben sie nur eine Version der Tabakpflanze geschaffen, hoffen aber, in Zukunft Rosen, Immergrün und andere Gartenblumen produzieren zu können.

Pflanzen, die „im Dunkeln leuchten“, wurden von Forschern mit Hilfe von DNA aus Pilzen entwickelt – und sie hoffen, in Zukunft leuchtende Rosen verkaufen zu können

Die Studie ist eine Zusammenarbeit von 27 Wissenschaftlern von Planta, der Russischen Akademie der Wissenschaften, MRC London und dem Institut für Wissenschaft und Technologie in Österreich.

Die Hauptautoren, Dr. Kaen Sarkisyan und Dr. Illa Yampolsky, erklärten, dass biologisches Licht nicht nur der Ästhetik dient, sondern auch zur Beobachtung des Innenlebens einer Pflanze verwendet werden kann.

Pflanzen, die die Pilz-DNA enthalten, leuchten kontinuierlich während ihres gesamten Lebenszyklus, vom Keimling bis zur Reife – sie müssen keine neuen Chemikalien erwerben.

Das steht im Gegensatz zu anderen allgemein verwendeten Formen der Biolumineszenz, wie z. B. DNA, die von Glühwürmchen entnommen und zu Pflanzen hinzugefügt wird – was erstmals vor 30 Jahren gelang.

Die Pflanzen verwandeln ein Molekül mit Hilfe von vier Enzymen in Licht

Obwohl Pilze nicht eng mit Pflanzen verwandt sind, haben beide ein Molekül gemeinsam, das die Wissenschaftler genutzt haben.

Das Licht der Pilze basiert auf einem organischen Molekül, das auch in Pflanzen für den Aufbau der Zellwände benötigt wird.

In Pilzen erzeugt dieses Molekül, Kaffeesäure genannt, durch einen Stoffwechselzyklus Licht.

In Pflanzen ist Kaffeesäure ein Baustein von Lignin, das dazu beiträgt, den Zellwänden mechanische Festigkeit zu verleihen

Der Zyklus in Pilzen – und in diesen neuen Pflanzen – umfasst vier Enzyme.

Zwei Enzyme wandeln die Kaffeesäure in eine lumineszierende Vorstufe um – eine Art „erster Schritt“.

Diese wird dann von einem dritten Enzym oxidiert, um ein Photon zu erzeugen.

Das letzte Enzym wandelt das oxidierte Molekül wieder in Kaffeesäure um, um den Zyklus erneut zu beginnen.

Trotz ihrer ähnlich klingenden Namen ist Kaffeesäure nicht mit Koffein verwandt.

Die neue Entdeckung kann auch für praktische und ästhetische Zwecke genutzt werden, vor allem für die Erzeugung leuchtender Blumen und anderer Zierpflanzen.

Während es fantastisch erscheinen mag, Straßenlaternen durch leuchtende Bäume zu ersetzen, erzeugen die Pflanzen eine angenehme grüne Aura, die von ihrer lebendigen Energie ausgeht.

Nach Angaben der Autoren können die Pflanzen über eine Milliarde Photonen pro Minute erzeugen.

Dr. Keith Wood, CEO von Light Bio, gehörte zu dem Team, das die erste Leuchtpflanze mithilfe eines Gens aus Glühwürmchen entwickelt hat.

HINWEIS

‚Diese neuen Pflanzen können ein viel helleres und gleichmäßigeres Leuchten erzeugen, das vollständig in ihrem genetischen Code verankert ist.‘

Die Entwicklung neuer biologischer Merkmale ist komplexer als das bloße Verschieben genetischer Teile von einem Organismus in einen anderen, sagen die Autoren.

Die neuen Teile, die der Pflanze hinzugefügt werden, müssen sich in den Wirt „metabolisch integrieren“.

Für die meisten Organismen sind nicht alle Teile bekannt, die für die Biolumineszenz benötigt werden, und bis vor kurzem war eine vollständige Teileliste nur für die bakterielle Biolumineszenz verfügbar.

Vorherige Versuche, aus diesen Teilen leuchtende Pflanzen zu erzeugen, sind nicht gut verlaufen, vor allem weil bakterielle Teile in komplexeren Organismen in der Regel nicht richtig funktionieren.

Vor etwa einem Jahr fanden Forscher Teile in bestimmten Pilzarten, die die Biolumineszenz aufrechterhalten.

Das ist das erste Mal, dass das lebende Licht eines fortgeschrittenen mehrzelligen Organismus von Wissenschaftlern vollständig definiert wurde, und ebnete den Weg für diese neue Entwicklung bei Pflanzen.

Damit konnten sie leuchtende Pflanzen herstellen, die mindestens zehnmal heller sind als frühere Versuche mit Glühwürmchen-DNA.

Mit gewöhnlichen Kameras und Smartphones wurde das grüne Leuchten von Blättern, Stängeln, Wurzeln und Blüten aufgezeichnet.

Dies gelang, ohne die Gesundheit der Pflanze, die die neue DNA trägt, zu beeinträchtigen.

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Obwohl Pilze nicht eng mit Pflanzen verwandt sind, basiert ihre Lichtemission auf einem organischen Molekül, das auch in Pflanzen für die Bildung von Zellwänden benötigt wird.

Dieses Molekül, Kaffeesäure genannt, erzeugt Licht durch einen Stoffwechselzyklus, an dem vier Enzyme beteiligt sind.

Zwei Enzyme wandeln die Kaffeesäure in eine lumineszierende Vorstufe um, die dann von einem dritten Enzym oxidiert wird, um ein Photon zu erzeugen.

Das letzte Enzym wandelt das oxidierte Molekül wieder in Kaffeesäure um, um den Zyklus erneut zu beginnen.

In Pflanzen ist Kaffeesäure ein Baustein von Lignin, das zur mechanischen Festigkeit der Zellwände beiträgt und Teil der Biomasse einer Pflanze und einer der am häufigsten vorkommenden erneuerbaren Ressourcen der Erde ist.

Als Schlüsselbestandteil des pflanzlichen Stoffwechsels ist Kaffeesäure auch Bestandteil vieler anderer essenzieller Verbindungen, die für Farben, Düfte, Antioxidantien usw. verantwortlich sind.

Trotz ihrer ähnlich klingenden Namen ist Kaffeesäure nicht mit Koffein verwandt.

Durch die Verbindung der Lichtproduktion mit diesem lebenswichtigen Molekül konnte das Team eine Pflanze schaffen, die Wissenschaftlern Einblicke in ihren eigenen Aufbau geben kann.

Sie kann den physiologischen Zustand der Pflanzen und ihre Reaktionen auf die Umwelt aufzeigen.

Pflanzen, die die Pilz-DNA enthalten, leuchten kontinuierlich während ihres gesamten Lebenszyklus, vom Keimling bis zur Reife – sie müssen keine neuen Chemikalien erwerben

‚Zum Beispiel nimmt das Leuchten dramatisch zu, wenn eine reife Bananenschale in der Nähe platziert wird (die Ethylen abgibt)‘, schreiben die Autoren.

HINWEIS

Jüngere Pflanzenteile leuchten am stärksten und die Blüten sind besonders leuchtend.

Flimmernde Muster oder Lichtwellen sind oft sichtbar und offenbaren aktive Verhaltensweisen innerhalb der Pflanzen, die normalerweise verborgen wären.

In dieser veröffentlichten Untersuchung haben sich die Autoren auf Tabakpflanzen gestützt, weil diese genetisch einfach sind und schnell wachsen.

Forschungen bei Planta sowie von Arjun Khakhar und Kollegen haben gezeigt, dass dies auch bei anderen leuchtenden Pflanzen möglich ist, darunter Immergrün, Petunie und Rose.

Mit der weiteren Entwicklung sind noch hellere Pflanzen zu erwarten.

Neue Funktionen könnten möglich sein, wie z. B. die Änderung der Helligkeit oder Farbe als Reaktion auf Menschen und Umgebung.

‚Durch diese lebendige Aura könnten wir sogar ein neues Bewusstsein für unsere Pflanzen erlangen, das die inspirierende Anziehungskraft von Avatar nachahmt‘, schreiben die Autoren.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht.

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