植物は光を発することができますか？科学者はいかにして夢を現実に変えるのでしょうか!

眠りから目覚めると、すべてが夢のような青い光に包まれていることに気づきます。さまざまな奇妙な生き物が周囲に生え、光り輝く巨大な木々が空に向かってそびえ立ち、木の葉は宝石のように輝いています。木々の下では、光り輝く草が緑の海のように優しく揺れていました。ここの花は魅惑的な香りを放ち、夜には花びらが色とりどりの光を放ちます。夜でも世界全体が星空のように輝いています。

植物が光る？この遠い信じ難い夢は、近年、科学者によって徐々に現実のものとなってきました。

自然界では、生物発光は菌類、細菌、昆虫などの生物によく見られますが、植物界における生物発光についてはほとんど知られていません。しかし、合成生物学の継続的な発展により、科学者たちは菌類の発光メカニズムに着想を得て、新しいタイプの発光植物を作り出すことに成功しました。

私は皆さんをこの魔法のような自己発光植物の世界へお連れし、その原理、応用の見通し、そして農業、エネルギー、環境などの分野における高品質な開発への影響について探っていきます。

発光植物のFBPレポーターシステムの原理

生物発光とは、生物体内で一連の化学反応が起こり、可視光が生成されるプロセスを指します。現在、自然界には少なくとも40種類の生物発光システムがあると考えられていますが、研究技術の限界により、これまでのところ、細菌の発光システム（1980年代）と真菌の発光システム（2018年）の2つのシステムの発光プロセスのみが十分に解明されています。

この記事では、自然界のいくつかの発光菌類に存在し、適切な条件下で約 520 nm の波長の緑色の生物発光を生成できる真菌生物発光経路 FBP (真菌生物発光経路) に焦点を当てています。この経路は、4 つの酵素で構成されるカフェ酸代謝サイクルです。つまり、カフェ酸はヒスピジン合成酵素 (HispS) によってヒスピジンに変換され、次にヒスピジン-3-ヒドロキシラーゼ (H3H) によって触媒されて真菌ルシフェリンが生成されます。ルシフェリンはカフェオイルピルビン酸に酸化され、真菌ルシフェラーゼ (Luz) によって光子を生成します。最後に、カフェオイルピルビン酸加水分解酵素（CPH）がカフェ酸をカフェ酸に変換し、肉眼で見える連続光を生成することで、カフェ酸のリサイクルを実現します。

図1 カフェ酸回路の代謝経路

では、科学者はどのようにしてこの菌類の発光システムを植物に導入するのでしょうか?

生物発光の出発物質であるカフェ酸は、植物中のフェニルプロパノイド経路の代謝産物として広く存在していることが判明しました。研究者らは、アグロバクテリウム形質転換を通じて、発光菌由来の上記4つの遺伝子をタバコゲノムに組み込み、植物内での蛍光タンパク質の合成を完了させ、植物の発光を実現した。

真菌発光システムの比類のない利点は、その原料であるカフェ酸が動物や植物の細胞に対する毒性が極めて低く、安定性が高く、吸収されやすいという点にあります。科学者は、残りの4つのプロテアーゼの対応する遺伝子を輸入し、カフェ酸合成経路を調節し、植物体内のエネルギー分配調節ネットワークを活用し、自己発光微生物の遺伝子を改変して、植物に生物発光能力を持たせるだけでよい。

生物発光と光合成の関係

植物の自己発光は光合成に必要な大量のエネルギーを消費するのだろうかと疑問に思う人もいるかもしれません。植物本来の光合成が深刻な影響を受けるとしたら、ゴマを拾ってスイカを失うようなものではないでしょうか。

実際のところ、心配する必要は全くありません。既存の研究では、植物の純光合成速度 Pn、気孔コンダクタンス Gs、蒸散速度 Tr、CO2 同化の量子効率 PhiCO2 など、光合成に関連する生理学的パラメータを測定することにより、光合成と植物の発光代謝の相互作用を調査してきました。結果は、現在の第2世代発光植物が植物の光合成に悪影響を及ぼさないことを示しており、これは、発光植物の将来の反復的な開発において、発光強度を向上させる大きな可能性がまだあることを示しています。

FBP発光植物の応用展望

図2 合成生物学の多分野への応用

合成生物学は現在急速に発展しており、さまざまな分野で大きな応用価値を示しています。新しい植物発光システムの研究、開発、アップグレードも例外ではありません。

1. 環境を美化し、低輝度照明

新しい種類の光る植物は環境を美化する効果があり、映画「アバター」のようなファンタジーの世界を作り出すのにも役立つかもしれない。同時に、低輝度照明の代替として使用して電力を節約することもできます。将来的には、公園、中庭、住宅などの場所で発光植物を使用して、環境に優しい照明を実現できるようになります。

2. バイオ新エネルギー産業

FBP発光植物は、人工的なエネルギー供給を必要とせずに光エネルギーとバイオエネルギーのリサイクルを実現します。これにより、バイオ新エネルギー産業の発展に新たなアイデアが提供され、エネルギー分野の変化が促進されることが期待されます。

3. 生物学的モニタリングと環境保護

FBP 発光植物は、土壌中の有害な重金属やホルムアルデヒドなどの有害な環境要因を報告するための生物発光信号として使用できます。発光植物の変化を監視することで、環境品質の状態をリアルタイムで把握し、環境保護のための強力な手段を提供することができます。

4. 遺伝子編集の有効性を報告するツール

発光植物の FBP 報告システムは肉眼で見える光を発することができるため、一般家庭用カメラを使用して、個々の生物または生物群の成長期間全体を検出できます。このシステムをレポートシステムとして使用して、さまざまな遺伝子エディターの活性化効果を迅速に検証できます。

遺伝子組み換え植物の発光強度を直接観察することで、植物中の標的酵素含有量を判断し、新しい遺伝子エディターの有効性を推測することができます。この技術は、植物タンパク質含有量の面倒な分子測定という従来の必要性を打破し、代わりに、植物が放出する光量子の大きさを特定のカメラで測定して植物内の標的酵素の含有量を判定するだけでよく、実験手順が大幅に簡素化され、実験サイクルが短縮されます。

図3 985システムで観測された葉の発光

観察結果は植物合成生物学を強力にサポートします。遺伝子編集、代謝工学、生体高分子の動的相互作用ツール、eFBP（強化真菌発光経路）報告システムなどの方法を通じて、特別な機能を持つ植物をより迅速かつ効率的に栽培することができ、農業、エネルギー、環境などの分野での高品質な発展に貢献します。

啓蒙と展望

図4 暗い状況下で通常のカメラで撮影した光る植物

新たに開発された第二世代の発光植物が、実用化の要件にまだ程遠いことは無視できない。花は光量子強度が 1012photo/min/cm2 にしか達せず、葉は光量子強度が 1011photo/min/cm2 にしか達しないため、夜間に観察してもあまり目立ちません。植物にはエネルギー分配を調整し、生物発光の上限を決定する複雑な制御ネットワークがあります。発光植物の性能を継続的に向上させ、発光植物の明るさ、色、安定性を向上させ、より実用的なものにするためには、効率的な遺伝子発現ツールを導入する必要があります。

バイオテクノロジーや情報技術を活用して農業、エネルギー、環境などの分野の発展を促進することは、持続可能な開発を達成するための重要な方法です。 FBP報告システムの発光植物の研究成果は、人類に前例のないグリーンテクノロジーの経験をもたらし、我が国のバイオテクノロジーと情報技術の統合発展​​に有益な参考資料を提供しました。

近い将来、この魔法のような新しい植物が私たちの生活に入り込み、質の高い持続可能な開発に強い推進力を注入すると信じています。アバターの世界が私たちのところにやってくるのを楽しみにしましょう。