夜に光るこの植物の鉢植えをご希望ですか?

編集者：何建

映画「アバター」ではかつて、このような魔法のような世界が描かれていました。惑星パンドラの夜、街はまるで暗闇の中に星空が点在しているかのようで、人々に夢のような神秘的な感覚を与えました。私たちの生活環境にこれらの光る植物をたくさん植えることができたら、どんなに素晴らしいことか想像してみてください。では、地球上にもこのような自発光植物は存在するのでしょうか?

実際、生物発光は自然界では非常に一般的です。現在、約 30 種類の独立した生物発光システムが知られています。発光する生物には、細菌、藻類、菌類、無脊椎動物などさまざまな種類がありますが、その中で発光する植物はごくわずかです。中国科学院上海生物科学研究所植物生理生態研究所の研究員である劉紅涛氏は、わが国のランタンツリー、アフリカの光る木、アフリカの一部のアロエ、渦鞭毛藻類、街灯草はすべて光る植物であると語った。植物が光を発するという現象は直感に反するように思えますが、それは実際に存在し、仮説的な命題ではありません。

そういえば、「光るキノコ」ってあるんじゃないの？と疑問に思う人もいるかもしれません。数十種の生物が発見されています。覚えておいてください、キノコは植物ではなく菌類です。

なぜ一部の植物は光るのでしょうか?

アフリカのアロエを例にとると、これらの植物の葉にはリンが多く含まれており、微量のホスフィンガスを放出する可能性があるためです。ホスフィンは発火点が非常に低く、空気中で自然発火するため、淡い青色の光を発します。しかし、現時点では、植物の生物発光の目的は不明のままです。

しかし、キノコは植物ではありませんが、その発光は主に有機分子に集中しており、これは植物が細胞壁を作るのにも必要です。 4つの酵素の代謝サイクルを通じて光を生成することができるのはカフェ酸です。 2 つの酵素がカフェ酸を発光前駆体に変換し、それが 3 番目の酵素によって酸化されて光子が生成されます。最後の酵素は酸化された分子をカフェ酸に変換し、サイクルを新たに開始します。

植物では、カフェ酸はリグニンの成分であり、細胞壁に機械的強度を与えるのに役立ちます。したがって、これは地球上で最も豊富な再生可能資源である植物リグノセルロースバイオマスの一部です。

そこで、一部の科学者は、技術的な手段で植物を光らせることは可能だろうかと考え始めました。たとえば、特定の生物の遺伝子が植物に移植され、植物が機能するようになります。アイデアは良いですが、決して簡単ではありません。発光遺伝子をある生物から別の生物に移すのはそれほど簡単ではありません。時計の歯車のように、新たに追加された遺伝子は宿主の体内で適切に機能できなければなりません。しかし、安価で環境に優しい光源として、依然として多くの支持を得ています。

実際、1980 年代初頭から、科学者たちはホタルのルシフェラーゼを植物細胞や植物に導入して発現させていました。基質ルシフェリンとエネルギー物質アデノシン三リン酸（ATP）を培地や水やりを通じて加えると、植物組織はホタルのような光を発します。さらに、科学者は、実験室での遺伝子工学を通じて、クラゲの蛍光タンパク質または改良された蛍光タンパク質を植物組織に移し、発現させることで、蛍光植物を得ることもできます。しかし、これらの発光植物は基質とエネルギーを供給するために外部源を必要とし、発光が弱い、持続時間が短い、肉眼での観察が難しいなどの制限があります。 「ホタルと一緒に夜読書」のような明るさ効果も得られず、真の意味での自発光能力を持つ植物とは言えません。

ホタルやクラゲから得た経験を植物に完全に適用することはできないため、科学者たちは発光菌から学び始め、今回は成功した。

2020年、ネイチャー・バイオテクノロジー誌に発表された最新の成果では、合成生物学者のカレン・サルキシアン氏とイリア・ヤンポルスキー博士が率いる27人の科学者チームが遺伝子技術を使用して、可視光を継続的に放出できる植物を作り出した。

画像は新華網より

研究者らは、この新技術には実用的な価値があり、特に光る花やその他の観賞用植物を作るなど、美的目的に使用できる可能性があると述べている。街灯の代わりに自発光する木を使うのは少々奇抜すぎるかもしれませんが、これらの植物が生前から発する緑色の蛍光は本当に心地よいものです。

画像は新華網より

各世代は前世代よりも明るくなっている

照明を実現できる生き物がやってきた！

2023年5月、浙江大学の杜浩氏のチームはこれを基にシステムをさらに改良した。研究チームは、ルシフェリンの生合成前駆体であるカフェ酸と中間生成物であるラクトンの含有量が植物の発光強度を制限する要因であることを発見した。研究チームは、同定とスクリーニングを通じて、それぞれ Brassica napus と Aspergillus nidulans から 2 つの触媒酵素遺伝子を取得しました。

これら2つの遺伝子をFBPシステムに導入することで、それらが産生する触媒酵素が植物体内での大量のカフェ酸と乳酸菌の合成と蓄積を効率的に促進し、ルシフェリン含有量を大幅に増加させ、自発光植物の発光強度を高めることに成功しました。

代謝工学により最適化されたこの植物自発光システムは、本来の5倍以上の明るさを持ち、人間の目に見える光を連続的かつ安定的に発することができます。葉は体から離れてからも3日間光り続けます。複数の花を一緒に配置すると、それらが発する光が暗い環境を照らし、近くにある大きなフォントをはっきりと見ることができるほど明るくなります。将来的には、これらの植物は実験室での科学研究や試験目的に限定されず、環境照明などの分野でも利用されることが期待されます。

これが限界だと思いますか？さらにすごいことがあります!最近、合肥神壁生物科技有限公司の科学研究チームは、中国初の遺伝子編集による高輝度夜間自発光植物の開発に成功しました。研究チームのリーダーである李仁漢氏は、研究チームは532回の技術的反復を経て、多くの技術的困難を克服したと述べた。最も困難だったのは、植物を肉眼で見えるレベルまで光らせる方法でした。研究チームはまた、植物細胞内での外来遺伝子の高スループット発現にも成功し、遺伝子発現の障壁を打ち破った。さらに、研究チームは反応プロセスにおける酵素を最適化し、効率を向上させました。同時に、複数の遺伝子を重ね合わせ、植物自体のいくつかの制限遺伝子を変化させ、最終的に植物が肉眼で見える高輝度状態に到達できるようにしました。

同様の国際製品と比較すると、Shenbi Bioの発光植物は明るさにおいて明らかな優位性があると報告されています。これらの植物はカメラによる長時間の露出を必要とせず、暗い環境でも肉眼ですぐに発光効果を確認できるため、商業照明を実現できます。現在、神碧バイオはヒマワリを含むさまざまな植物で高輝度の自己発光を実現することに成功しており、また、バラ、バラ、ユリなどの花の形質転換を含む他の花の品種にも発光技術を拡大しています。

将来的には、これらの光る植物が庭園に使われたり、本物の「アバター」テーマパークが作られたりするのではないかと予想されています。

参考資料：中国科学普及網、新華網、科技日報など。