توليد گياهان هميشه درخشان؛ دستاورد جديد مهندسان ژنتيك
موفقيت جديد دانشمندان در توليد گياهان درخشان، پيشرفتي حيرت‌انگيز در گياهان درخشان قبلي است. اين گياهان، از نمونه‌هاي مهندسي ژنتيك‌شده‌ي تنباكوي قبلي درخشان‌تر بوده و براي حفظ درخشش نيازي به تغذيه با مواد شيميايي ندارند. همچنين، مدت زمان درخشش بسيار طولاني‌تر از گياهان درخشنده‌اي است كه با استفاده از نانوبيونيك گياهي توليد شده‌اند.
البته همه‌ي ما ممكن است فورا به باغ شبانه‌ي شگفت‌انگيز آواتارمانندي فكر كنيم كه در تاريكي مي‌تابد و در آينده‌ي بسيار دور موجب كاهش وابستگي ما به نور الكتريكي مي‌شود. اما گياهان درخشان به ما در درك خود گياه نيز كمك مي‌كنند و بينشي درمورد نحوه‌ي متابولسيم گياهان و چگونگي پاسخ آن‌ها به دنياي پيرامون در اختيار ما قرار مي‌دهند.
پژوهشگران مطالعه‌ي جديد، روي دو گونه از گياه تنباكو كار كرده‌اند. برخلاف گياهان مهندسي ژنتيك شده‌ي درخشان قبلي كه از باكتري‌هاي زيست‌تاب يا DNA كرم شب‌تاب استفاده مي‌كردند، در اين گياهان از DNA قارچ زيست‌تاب استفاده شده است. پژوهشگران در مقاله‌ي خود نوشتند:
اگرچه ژن‌هاي باكتري زيست‌تاب مي‌تواند براي مهندسي خودزيست‌تابي به پلاستيد افزوده شود، اين كار ازانديشه متخصصين متخصص دشوار بوده و نمي‌تواند نور كافي توليد كند. چرخه‌ي كافئيك اسيد كه مسير متابوليكي مسئول درخشندگي در قارچ‌ها است، اخيرا توصيف شده است. ما انتشار نور را در گياه گل توتون (Nicotiana tabacum) و نيكوتيان (Nicotiana benthamiana) بدون افزودن هيچ‌گونه بستر خارجي و ازطريق وارد كردن ژن‌هاي زيست‌تاب قارچ به ژنوم هسته‌اي گياه گزارش مي‌كنيم.
در پايان سال ۲۰۱۸ بود كه گروهي از پژوهشگران (كه بسياري از آن‌ها در پژوهش جديد نيز مشاركت داشتند) مقاله‌اي را درمورد بيوسنتز لوسيفرين قارچي منتشر كردند. لوسيفرين تركيبي است كه عامل درخشش قارچ‌هاي زيست‌تاب است. آن‌ها دريافتند كه اين قارچ، لوسيفرين را از تركيبي مي‌سازد كه كافئيك اسيد ناميده مي‌شود و طي اين فرايند به عمل چهار آنزيم نياز دارد. دو آنزيم در تبديل كافئيك اسيد به پيش‌ساز درخشان نقش دارند و آنزيم سوم، اين پيش‌سازها را براي توليد فوتون اكسيده مي‌كند. سپس آنزيم چهارم، اين مولكول را مجددا به كافئيك اسيد تبديل مي‌كند كه مي‌تواند طي همين فرايند بازيافت شود.
اين‌جاست كه همه‌چير جالب مي‌شود زيرا كافئيك اسيد (ربطي به كافئين ندارد) در تمام گياهان يافت مي‌شود. كافئيك اسيد در بيوسنتز ليگنين كه پليمر چوبي است كه موجب سختي و استحكام ديواره‌هاي سلول گياهي مي‌شود، نقشي حياتي دارد. براين‌اساس، اين تيم استدلال كرد كه شايد بتوان گياهان را به طريق ژنتيكي مهندسي كرد تا همان‌طور كه در قارچ‌هاي زيست‌تاب ديده مي‌شود، مقداري از كافئيك اسيد خود را به بيوسنتز لوسيفرين اختصاص دهند. آن‌ها چهار ژن قارچي مرتبط با زيست‌تابي را وارد ژنوم گياهان تنباكو كرده و آن‌ها را به دقت كشت كردند. پژوهشگران دريافتند كه گياهان از دوران جوانه تا بلوغ، با نوري مرئي كه براي چشم غيرمسلح قابل مشاهده بود، مي‌درخشيدند. اين فرايند ظاهرا هزينه‌اي براي سلامتي گياه نداشت. پژوهشگران در مقاله‌ي خود نوشتند:
در گلخانه، فنوتيپ كلي، كلروفيل و محتواي كاروتنوئيد، زمان گلدهي و جوانه‌زني بذر با تنباكوي نوع وحشي تفاوتي نداشت، فقط متوسط ارتفاع گياهان ترانس‌ژنيك ۱۲ درصد افزايش يافته بود. اين امر نشان مي‌دهد كه برخلاف بيان زيست‌تاب باكتريايي، بيان چرخه‌ي كافئيك اسيد در گياهان سمي نيست و بار آشكاري را حداقل در شرايط گلخانه، روي رشد گياه تحميل نمي‌كند.
پژوهشگران دريافتند كه قسمت‌هاي جوان‌تر گياه با روشني بيشتري مي‌درخشيد و درخشش گل‌ها بيشتر از بخش‌هاي ديگر گياه بود. به‌گفته‌ي پژوهشگران، اين گياهان حدود يك ميليارد فوتون در دقيقه توليد مي‌كنند. اين مقدار روشنايي براي خواندن كافي نيست، اما به‌حدي روشن است كه بتوان به وضوح ديد. پژوهشگران گفتند گياهان آن‌ها همچنين حدود ۱۰ برابر درخشان‌تر از ديگر گياهان مهندسي ژنتيك‌شده‌ي درخشنده هستند.
البته افتخار درخشان‌ترين گياه توليدشده به گياه آب‌تره‌اي تعلق دارد كه به‌وسيله‌ي دانشمندان موسسه‌ي فناوري ماساچوست با استفاده از تكنيكي به نام نانوبيونيك گياهي توليد شد كه تابشي حدود يك تريليون فوتون در ثانيه توليد مي‌كرد اما اين درخشش تنها براي ۳/۵ ساعت دوام داشت.
پژوهشگران دريافتند كه درخشش طولاني‌مدت و خودپايدار جديد مي‌تواند به‌عنوان شاخصي براي نشان دادن نحوه‌ي واكنش گياه به محيط خارجي خود عمل كند. براي مثال وقتي آن‌ها يك پوست موز را در حوالي گياه قرار دادند، گياه در پاسخ به اتيلن ساطع‌شده درخشش بيشتري پيدا كرد. همچنين سوسو و امواجي در نور مشاهده مي‌شد كه به‌وسيله‌ي فرايندهاي متابوليكي دروني كه معمولا پنهان هستند، توليد مي‌شود. اين مساله نشان مي‌دهد كه اين پژوهش مي‌تواند روشي جالب براي مطالعه‌ي سلامت گياه باشد. پژوهشگران در مقاله‌ي خود نوشتند:
با فعال‌كردن انتشار خودكار نور، مي‌توان فرايندهاي پويايي نظير توسعه و فتوسنتز، پاسخ به شرايط محيطي و اثر تيمارهاي شيميايي را در گياهان مورد نظارت قرار داد. با حذف نياز به افزودن خارجي لوسيفرين يا بسترهاي ديگر، اين قابليت‌هاي درخشندگي بايد خصوصا براي آزمايش‌هاي رشد گياه در خاك سودمند باشد.
درهمين‌حين، اين تيم در تلاش است تا پژوهش خود را گسترش دهد. آن‌ها گياهان گلداري مانند پيچ تلگرافي، اطلسي و رزها را ازانديشه متخصصين ژنتيكي اصلاح كرده‌اند. آن‌ها همچنين در تلاش براي توليد درخشندگي بيشتر و ايجاد رنگ‌هاي مختلف هستند. اين پژوهشگران به اهداف بزرگ‌تري نيز فكر مي‌كنند و مي‌گويند:
اگرچه كافئيك اسيد بومي جانوران نيست، درخشش خودكار در حيوانات نيز امكان‌پذير است.
نتايج اين پژوهش در مجله‌ي Nature Biotechnology منتشر شده است.
هم انديشي ها