تولید گیاهان همیشه درخشان؛ دستاورد جدید مهندسان ژنتیک
موفقیت جدید دانشمندان در تولید گیاهان درخشان، پیشرفتی حیرت‌انگیز در گیاهان درخشان قبلی است. این گیاهان، از نمونه‌های مهندسی ژنتیک‌شده‌ی تنباکوی قبلی درخشان‌تر بوده و برای حفظ درخشش نیازی به تغذیه با مواد شیمیایی ندارند. همچنین، مدت زمان درخشش بسیار طولانی‌تر از گیاهان درخشنده‌ای است که با استفاده از نانوبیونیک گیاهی تولید شده‌اند.
البته همه‌ی ما ممکن است فورا به باغ شبانه‌ی شگفت‌انگیز آواتارمانندی فکر کنیم که در تاریکی می‌تابد و در آینده‌ی بسیار دور موجب کاهش وابستگی ما به نور الکتریکی می‌شود. اما گیاهان درخشان به ما در درک خود گیاه نیز کمک می‌کنند و بینشی درمورد نحوه‌ی متابولسیم گیاهان و چگونگی پاسخ آن‌ها به دنیای پیرامون در اختیار ما قرار می‌دهند.
پژوهشگران مطالعه‌ی جدید، روی دو گونه از گیاه تنباکو کار کرده‌اند. برخلاف گیاهان مهندسی ژنتیک شده‌ی درخشان قبلی که از باکتری‌های زیست‌تاب یا DNA کرم شب‌تاب استفاده می‌کردند، در این گیاهان از DNA قارچ زیست‌تاب استفاده شده است. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:
اگرچه ژن‌های باکتری زیست‌تاب می‌تواند برای مهندسی خودزیست‌تابی به پلاستید افزوده شود، این کار ازنظر فنی دشوار بوده و نمی‌تواند نور کافی تولید کند. چرخه‌ی کافئیک اسید که مسیر متابولیکی مسئول درخشندگی در قارچ‌ها است، اخیرا توصیف شده است. ما انتشار نور را در گیاه گل توتون (Nicotiana tabacum) و نیکوتیان (Nicotiana benthamiana) بدون افزودن هیچ‌گونه بستر خارجی و ازطریق وارد کردن ژن‌های زیست‌تاب قارچ به ژنوم هسته‌ای گیاه گزارش می‌کنیم.
در پایان سال ۲۰۱۸ بود که گروهی از پژوهشگران (که بسیاری از آن‌ها در پژوهش جدید نیز مشارکت داشتند) مقاله‌ای را درمورد بیوسنتز لوسیفرین قارچی منتشر کردند. لوسیفرین ترکیبی است که عامل درخشش قارچ‌های زیست‌تاب است. آن‌ها دریافتند که این قارچ، لوسیفرین را از ترکیبی می‌سازد که کافئیک اسید نامیده می‌شود و طی این فرایند به عمل چهار آنزیم نیاز دارد. دو آنزیم در تبدیل کافئیک اسید به پیش‌ساز درخشان نقش دارند و آنزیم سوم، این پیش‌سازها را برای تولید فوتون اکسیده می‌کند. سپس آنزیم چهارم، این مولکول را مجددا به کافئیک اسید تبدیل می‌کند که می‌تواند طی همین فرایند بازیافت شود.
این‌جاست که همه‌چیر جالب می‌شود زیرا کافئیک اسید (ربطی به کافئین ندارد) در تمام گیاهان یافت می‌شود. کافئیک اسید در بیوسنتز لیگنین که پلیمر چوبی است که موجب سختی و استحکام دیواره‌های سلول گیاهی می‌شود، نقشی حیاتی دارد. براین‌اساس، این تیم استدلال کرد که شاید بتوان گیاهان را به طریق ژنتیکی مهندسی کرد تا همان‌طور که در قارچ‌های زیست‌تاب دیده می‌شود، مقداری از کافئیک اسید خود را به بیوسنتز لوسیفرین اختصاص دهند. آن‌ها چهار ژن قارچی مرتبط با زیست‌تابی را وارد ژنوم گیاهان تنباکو کرده و آن‌ها را به دقت کشت کردند. پژوهشگران دریافتند که گیاهان از دوران جوانه تا بلوغ، با نوری مرئی که برای چشم غیرمسلح قابل مشاهده بود، می‌درخشیدند. این فرایند ظاهرا هزینه‌ای برای سلامتی گیاه نداشت. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:
در گلخانه، فنوتیپ کلی، کلروفیل و محتوای کاروتنوئید، زمان گلدهی و جوانه‌زنی بذر با تنباکوی نوع وحشی تفاوتی نداشت، فقط متوسط ارتفاع گیاهان ترانس‌ژنیک ۱۲ درصد افزایش یافته بود. این امر نشان می‌دهد که برخلاف بیان زیست‌تاب باکتریایی، بیان چرخه‌ی کافئیک اسید در گیاهان سمی نیست و بار آشکاری را حداقل در شرایط گلخانه، روی رشد گیاه تحمیل نمی‌کند.
پژوهشگران دریافتند که قسمت‌های جوان‌تر گیاه با روشنی بیشتری می‌درخشید و درخشش گل‌ها بیشتر از بخش‌های دیگر گیاه بود. به‌گفته‌ی پژوهشگران، این گیاهان حدود یک میلیارد فوتون در دقیقه تولید می‌کنند. این مقدار روشنایی برای خواندن کافی نیست، اما به‌حدی روشن است که بتوان به وضوح دید. پژوهشگران گفتند گیاهان آن‌ها همچنین حدود ۱۰ برابر درخشان‌تر از دیگر گیاهان مهندسی ژنتیک‌شده‌ی درخشنده هستند.
البته افتخار درخشان‌ترین گیاه تولیدشده به گیاه آب‌تره‌ای تعلق دارد که به‌وسیله‌ی دانشمندان موسسه‌ی فناوری ماساچوست با استفاده از تکنیکی به نام نانوبیونیک گیاهی تولید شد که تابشی حدود یک تریلیون فوتون در ثانیه تولید می‌کرد اما این درخشش تنها برای ۳/۵ ساعت دوام داشت.
پژوهشگران دریافتند که درخشش طولانی‌مدت و خودپایدار جدید می‌تواند به‌عنوان شاخصی برای نشان دادن نحوه‌ی واکنش گیاه به محیط خارجی خود عمل کند. برای مثال وقتی آن‌ها یک پوست موز را در حوالی گیاه قرار دادند، گیاه در پاسخ به اتیلن ساطع‌شده درخشش بیشتری پیدا کرد. همچنین سوسو و امواجی در نور مشاهده می‌شد که به‌وسیله‌ی فرایندهای متابولیکی درونی که معمولا پنهان هستند، تولید می‌شود. این مساله نشان می‌دهد که این پژوهش می‌تواند روشی جالب برای مطالعه‌ی سلامت گیاه باشد. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:
با فعال‌کردن انتشار خودکار نور، می‌توان فرایندهای پویایی نظیر توسعه و فتوسنتز، پاسخ به شرایط محیطی و اثر تیمارهای شیمیایی را در گیاهان مورد نظارت قرار داد. با حذف نیاز به افزودن خارجی لوسیفرین یا بسترهای دیگر، این قابلیت‌های درخشندگی باید خصوصا برای آزمایش‌های رشد گیاه در خاک سودمند باشد.
درهمین‌حین، این تیم در تلاش است تا پژوهش خود را گسترش دهد. آن‌ها گیاهان گلداری مانند پیچ تلگرافی، اطلسی و رزها را ازنظر ژنتیکی اصلاح کرده‌اند. آن‌ها همچنین در تلاش برای تولید درخشندگی بیشتر و ایجاد رنگ‌های مختلف هستند. این پژوهشگران به اهداف بزرگ‌تری نیز فکر می‌کنند و می‌گویند:
اگرچه کافئیک اسید بومی جانوران نیست، درخشش خودکار در حیوانات نیز امکان‌پذیر است.
نتایج این پژوهش در مجله‌ی Nature Biotechnology منتشر شده است.
نظرات