Ci sono piante che emettono luce sostenibile, “come su Avatar” (VIDEO)
Diventano bioluminescenti grazie ai geni dei funghi: “Per la prima volta, è stata completamente definita la luce vivente di un organismo multicellulare avanzato”
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In natura ci sono molti organismi bioluminescenti, che possono emettere luce, come alcune specie di funghi e anche animali, animali e funghi bioluminescenti, non ci sono piante luminose, ma il mondo del film Avatar, con le sue lussureggianti giungle bioluminescenti restava qualcosa di confinato alla fantascienza fantasy, almeno finora. Infatti, lo studio “Plants with genetically encoded autoluminescence”, pubblicato su Nature Biotecnology da un team internazionale di 27 ricercatori guidato da Tatiana Mitiouchkina di Planta LLC e dello Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry dell’Accademia delle scienze russa, dimostra la possibilità di creare, grazie al design genetico, piante che producano bioluminescenza visibile ressi della genetica dei designer.
Al MRC London institute medical science (LMS), che ha partecipato allo studio spiegano che «Questo bagliore autosufficiente può essere utilizzato per osservare il funzionamento interno delle piante. Uno dei principali svantaggi delle tecnologie luminescenti esistenti è la necessità di aggiungere il “combustibile” per provocare una reazione biochimica che produce luce alle piante; molecole di luciferine che emettono luce». Ma, in studi precedenti, l’aggiunta di luciferine nelle piante si è rivelata difficile, problematica e ha provocato una distribuzione irregolare della bioluminescenza. Le cose sono cambiate nel 2019, quando i ricercatori hanno scoperto che la bioluminescenza riscontrata in alcuni funghi utilizza reazioni biochimiche simili ai processi naturali comuni presenti nelle piante. «Quindi – dicono al MRC London – poiché i funghi e le piante parlano un linguaggio biochimico simile, l’inserimento di DNA proveniente da questi funghi in piante modello in laboratorio ha permesso al team di integrare naturalmente la bioluminescenza nel metabolismo delle piante e creare un bagliore molto più luminoso di quanto fosse possibile in precedenza, da poter essere visto a occhio nudo». La cosa che secondo gli scienziati è affascinante è che le piante contenenti il DNA dei funghi emettono continuamente luce durante tutto il loro ciclo di vita, dalla piantina alla maturità, e senza danni per la loro fisiologia».
Il team di ricerca è convinto che «Questa nuova tecnologia è il punto di partenza che consentirà lo sviluppo di una suite di strumenti di imaging, non solo per studiare le piante in modo più dettagliato, ma anche altri organismi. Questi strumenti consentiranno il monitoraggio in tempo reale degli eventi molecolari che i ricercatori stanno studiando filmando semplicemente le piante. Oltre agli scopi pratici, questa nuova scoperta ha anche scopi estetici. In particolare, questa tecnologia può creare fiori luminosi e altre piante ornamentali che hanno proprietà bioluminescenti».
Karen Sarkisyan, a capo del gruppo di biologia sintetica dell’LMS e autrice senior dello studio, è convinta che questo possa innescare «una nuova ondata di tecnologie basate sulla bioluminescenza: quelle che si basano sulla luminescenza autosufficiente e non richiedono l’aggiunta di substrati chimici. Non ci aspettavamo che l’esperienza di vedere il bagliore nella pianta adulta ad occhio nudo sarebbe stata così magica. Credo che tutti i membri del team sarebbero d’accordo con me su questo. In termini di assistenza sanitaria, ciò significa che potremmo avere modelli di malattie animali in cui la bioluminescenza potrebbe segnalare cambiamenti fisiologici che possono essere monitorati in tempo reale in modo non invasivo. Parlando del futuro sviluppo tecnologico, ci sono tre percorsi principali che vogliamo esaminare: il trasferimento del sistema agli animali, che sarà più complicato ma possibile; vogliamo anche migliorare ulteriormente la luminosità del sistema attraverso l’evoluzione diretta e l’ingegneria metabolica e infine sviluppare nuovi reporter tools e tecnologie di imaging basate su questo sistema».
Secondo gli autori dello studio, «Le piante possono produrre oltre un miliardo di fotoni al minuto» E . Keith Wood, CEO di Light Bio – una nuova company che prevede di commercializzare questa nuova tecnologia nelle piante ornamentali da casa in collaborazione con Planta – ricorda che «Trent’anni fa, ho contribuito a creare la prima pianta luminescente usando un gene di lucciole. Queste nuove piante possono produrre un bagliore molto più luminoso e più costante, che è pienamente incorporato nel loro codice genetico».
Il team di ricercatori evidenzia che «Tuttavia, progettare nuove caratteristiche biologiche è più complesso del semplice spostamento di parti genetiche da un organismo all’altro. Come gli ingranaggi di un orologio, le parti appena aggiunte devono integrarsi metabolicamente all’interno dell’ospite. Per la maggior parte degli organismi, le parti necessarie per la bioluminescenza non sono tutte note. Fino a poco tempo fa, un elenco completo delle parti era disponibile solo per la bioluminescenza batterica. Ma i tentativi passati di creare piante luminescenti con queste parti non sono andati bene, soprattutto perché le parti batteriche in genere non funzionano correttamente negli organismi più complessi».
La svolta è avvenuta con la scoperta degli elementi che permettono la bioluminescenza nei funghi: «Per la prima volta, è stata completamente definita la luce vivente di un organismo multicellulare avanzato» e nel nuovo studio gli autori rivelano che «La bioluminescenza dei funghi funziona particolarmente bene nelle piante», il che ha permesso loro di realizzare piante almeno dieci volte più luminose. Utilizzando normali fotocamere e smartphone, è stata registrata l’illuminazione verde proveniente da foglie, steli, radici e fiori.
All’LSM spiegano ancora: «Sebbene i funghi non siano strettamente correlati alle piante, la loro emissione di luce si concentra su una molecola organica che è necessaria anche nelle piante per produrre le pareti cellulari. Questa molecola, chiamata acido caffeico, produce luce attraverso un ciclo metabolico che coinvolge quattro enzimi. Due enzimi convertono l’acido caffeico in un precursore luminescente, che viene quindi ossidato da un terzo enzima per produrre un fotone. L’ultimo enzima converte la molecola ossidata in acido caffeico per ricominciare il ciclo. Nelle piante, l’acido caffeico è un elemento costitutivo della lignina, che aiuta a fornire resistenza meccanica alle pareti cellulari. Fa quindi parte della biomassa lignocellulosica delle piante, che è la risorsa rinnovabile più abbondante sulla Terra. Come componente chiave del metabolismo delle piante, l’acido caffeico è anche parte integrante di molti altri composti essenziali coinvolti nei colori, nelle fragranze, negli antiossidanti e così via. Nonostante i loro nomi simili, l’acido caffeico non è correlato alla caffeina. Collegando la produzione di luce a questa molecola fondamentale, il bagliore emesso dalle piante fornisce un indicatore metabolico interno. Può rivelare lo stato fisiologico delle piante e le loro risposte all’ambiente. Ad esempio, il bagliore aumenta fortemente quando una buccia di banana matura (che emette etilene) viene posizionata nelle vicinanze. Le parti più giovani delle piante tendono a brillare più intensamente e i fiori sono particolarmente luminosi. I modelli tremolanti o le onde di luce sono spesso visibili, rivelando comportamenti attivi all’interno delle piante che normalmente sarebbero nascosti».