Биолюминесценция — одно из самых загадочных явлений природы. Веками ученые пытались понять, как светятся морские волны, грибы и светлячки и можно ли повторить этот механизм в других организмах. Долгое время были известны лишь семь природных люциферинов — веществ, чье окисление вызывает свечение.
Лауреат премии «Вызов-2025» Илья Ямпольский не только расшифровал полный путь свечения у грибов, открыв новые люциферины, но и совершил невозможное: перенес целую биохимическую цепь в растения, создав первые в мире автономно светящиеся цветы. В интервью «Ъ-Науке» он рассказывает, как преодолеть вековой тупик, зачем растениям светиться и почему перенос целых метаболических путей открывает новую эру в синтетической биологии.
— Биолюминесценцию изучали веками, но до вас были известны лишь семь природных люциферинов. В чем заключался главный научный тупик, который вам удалось преодолеть, чтобы открыть новые (например, грибные) люциферины и расшифровать полный биохимический путь свечения?
— Главные сложности — нестабильность веществ — люциферинов (ведь они по определению должны легко окисляться кислородом) и люцифераз, а также доступ к биомассе экзотических видов. Основой для преодоления этих проблем стала наша многопрофильная команда. Она состоит из множества выдающихся специалистов: биоинформатиков, которые смогли определить кластер генов биосинтеза люциферина в геноме грибов; химиков-органиков, которые смогли определить структуру люциферина и синтезировать его; биохимиков, которые смогли охарактеризовать свойства ферментов биолюминесцентной системы. Хочется отметить особую роль наших коллег из Красноярского института биофизики Константина Пуртова и Валентина и Наталью Петушковых, а также профессора Кассиуса Стевани из Бразилии и профессора Юичи Оба из Японии. Научные открытия становятся возможны благодаря скоординированной работе и обмену опытом ученых из разных стран.
— Идея светящихся растений казалась фантастикой. Почему до вашей работы перенос даже известных систем свечения в растения не удавался? В чем была ключевая проблема — в «несовместимости» генов или в чем-то более фундаментальном?
— На самом деле попытки создать светящиеся растения уже предпринимались. Например, в 1980-х годах ген люциферазы светлячка вводили в табак, но растение светилось только при внешней подаче люциферина. Позже вставляли гены биолюминесценции бактерий, однако свечение было слабым, его было тяжело регистрировать даже с помощью техники. Ключевая проблема оказалась не в «несовместимости» самих генов, а в неполноте знаний о системах: в растениях не было природного источника необходимого люциферина. Мы полностью расшифровали путь биолюминесценции грибов и обнаружили, что субстрат для свечения — кофейная кислота — уже есть в растениях, а три фермента превращают ее в люциферин. При этом один из ферментов конвертирует результат окисления люциферина — оксилюциферин — обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл превращений. Мы поставили перед собой задачу встроить в растение этот биохимический цикл. Именно это и стало нашим прорывом: после переноса комплекса генов система начала светиться автономно, без добавления каких-либо реактивов. Так мы преодолели фундаментальное противоречие — не одиночная «несовместимость» генов, а отсутствие целого метаболического звена.
— Когда впервые увидели устойчивое свечение своего генетически модифицированного растения, что вы почувствовали? Это был закономерный итог расчетов или все же момент научного чуда?
— У первого нашего растения свечение было слишком слабым, поэтому хотелось убедиться, что это не иллюзия или обман зрения. Но прибор не обманешь: он однозначно показывал излучение. С одной стороны, результат был закономерным: мы шли к этому годами, делали расчеты, проводили сотни экспериментов. Но из десятков или сотен попыток в экспериментальной науке успехом завершаются в лучшем случае единицы, поэтому, конечно, это всегда вызывает особые чувства.
— Вам удалось увеличить светимость растений в тысячу раз. С какими самыми неожиданными биологическими или техническими барьерами вы столкнулись на этом пути? Пришлось ли вам «перенастраивать» сам метаболизм растения?
— Добиться в тысячу раз более яркого свечения оказалось непросто. Мы работали в разных направлениях: усиливали экспрессию ферментов, улучшали сами ферменты, а часть из них заменяли на близкие по функции варианты — либо из других светящихся грибов, либо на растительные аналоги. Мы также корректировали метаболические потоки растения.
Ключевым техническим шагом стало включение в систему пятого фермента. Он необходим для корректной работы одного из ключевых белков, отвечающего за синтез предшественника люциферина из кофейной кислоты. Без этого дополнительного звена путь работал, но не выходил на максимальную производительность.
Самым неожиданным биологическим барьером оказалось то, что замена грибного фермента на его растительные аналоги практически не дала выигрыша в яркости. Казалось бы, растительные белки компактнее, «роднее» для клетки-хозяина, и логично ожидать лучшей совместимости. Однако на практике эта стратегия не сработала: вероятно, дело не только в происхождении фермента, а в тонких особенностях кинетики реакции, взаимодействиях с партнерами по пути и встраиваемости в конкретный метаболический контекст растения.
Перенастройка метаболизма растений произошла изначально, так как мы добавили целый новый цикл, который стал потреблять метаболиты растения. К счастью, увеличение интенсивности этого пути не сильно сказалось на здоровье и состоянии растений. Самые яркие на сегодняшний день линии по состоянию, росту и базовым характеристикам практически не отличаются от нетрансгенных растений.
— Ваша система (люциферин/люцифераза) лишена главных недостатков флуоресцентных белков — фонового свечения и фототоксичности. Можете привести конкретный пример, как это преимущество уже сегодня позволяет исследователям увидеть в живой клетке то, что было принципиально невозможно раньше?
— Система люциферин—люцифераза действительно не страдает главными недостатками флуоресцентных белков. В растениях из-за большого количества пигментов существует автофлуоресценция, которая мешает регистрировать целевые сигналы, а внешнее облучение светом вызывает фототоксичные эффекты на клетки и ткани. Наша биолюминесцентная система фонового свечения не дает, и клетки не облучаются светом — благодаря этому достигается чрезвычайно высокая чувствительность. Конкретный пример: используя наши светящиеся растения, ученые впервые увидели изменения физиологического состояния. Так, при подкладывании к растению кожуры банана (которая выделяет гормон этилен) свечение усиливалось — на листьях появлялись волны света, что соответствовало активации гормонального ответа. Другим примером является набор созданных нашей командой люминесцентных репортеров активности фитогормонов — ауксинов, салициловой и жасмоновой кислот. Мы впервые провели неинвазивные исследования активности этих гормонов в течение всей жизни растений, а также визуализировали ответ растений на патогены и насекомых. Мы это сделали с помощью потребительских камер, что значительно удешевляет процесс получения научных результатов. Эта работа была проведена совместно с коллегами из Чехии. Результаты этого исследования совсем скоро будут опубликованы в журнале Nature Group.
— Вы перенесли не просто ген, а целую биохимическую цепочку из одного царства живого в другое. Почему этот подход — перенос целых путей — открывает принципиально новую эру в синтетической биологии? Действительно ли он открывает дорогу к наделению растений, например, способностью фиксировать атмосферный азот?
— Да, я верю в то, что перенос целой биохимической цепочки из одного царства живого в другое демонстрирует новый этап в синтетической биологии. Мы перенимаем у природы готовые «модули» — целые каскады ферментов — и встраиваем их в другие организмы. Такой метод открывает возможность придать организму новые сложные свойства, которые раньше казались недостижимыми. В частности, созданный нами в ходе проекта инструментарий инженерии мультигенных признаков действительно может приблизить нас к решению сложнейшей проблемы — самостоятельной фиксации атмосферного азота растениями. Если мы смогли включить люминесцентный путь из грибов, то в принципе аналогично можно попытаться перенести всю цепочку азотфиксации из бактерий, хотя это очень непросто. Наш подход показал, что гипотеза реализуема — полный набор ферментов может работать в новом хозяине. На данном этапе наука движется от внедрения единичных генов к целым биохимическим «конструкторам» признаков. Это дает шанс создать растения с ценными, но отсутствующими в растениях возможностями, будь то фиксация азота или какой-то сложный метаболический процесс, путем переноса всех нужных генов вместе.
— Вы создали не только научный феномен, но и коммерческий продукт — светящиеся комнатные растения. Как вы относитесь к тому, что ваше прорывное открытие стало элементом дизайна? Помогает ли это, по-вашему, менять публичное восприятие современной биотехнологии?
— Безусловно, приятно видеть, как та или иная фундаментальная работа находит путь к реальному внедрению. К тому же в данном случае, когда светящиеся растения появляются в домах и садах людей, то есть внедряются непосредственно на потребительский рынок, это делает биотехнологии более доступными и понятными для широкой публики, дезавуирует необоснованные страхи. Это изменение в восприятии биотехнологий однозначно положительное, особенно в условиях тотального запрета генно-модифицированных организмов в России.
Для меня особенно важно, что мы прошли весь путь: от лабораторного результата и научной публикации до масштабируемой технологии и продукта на рынке. Я искренне рад, что эта цепочка «наука—реальность» у нас в этом случае действительно замкнулась.
— Создание светящихся растений доказало работоспособность метода. Какая следующая, возможно, «несветящаяся», но не менее амбициозная задача стоит сейчас перед вашей лабораторией? Над каким новым признаком или путем вы работаете?
— Создание светящихся растений — лишь первый пример нашей методики. Теперь мы планируем применять схожий подход к другим биохимическим путям. Мы рассматриваем вопрос фиксации азота: хотя это очень сложная задача, наша работа и работа передовых научных коллективов в мире показала, что принципиально все возможно. В целом любое направление, где нужна работа сразу нескольких генов для нового признака, можно реализовать нашей стратегией. Во всех этих проектах суть одна — создать в растениях полностью новые свойства за счет перенесенных «биохимических узлов».
— Как вы сами определяете главный результат своей работы: как решение вековой фундаментальной загадки, как создание мощного нового инструмента для науки или как доказательство принципиально нового подхода к генной инженерии сложных признаков?
— Все перечисленное. Во-первых, мы разгадали старую фундаментальную загадку биолюминесценции грибов — полностью описали ее молекулярную основу. Во-вторых, создали новый инструмент: теперь в распоряжении ученых есть неинвазивная люминесцентная система для использования в растениях. Но, пожалуй, самое важное — это разработка новых подходов к инженерии признаков: показано, что можно целиком переносить сложные метаболические цепочки из одного царства в другое.
Мария Грибова
Фото: Фонд развития научно-культурных связей «Вызов» / Лауреат премии «Вызов» Илья Ямпольский
