Zum ersten Mal erschaffen Forscher Pflanzen, die nachhaltig leuchten - und sie könnten eines Tages unsere Häuser erhellen

Obwohl leuchtende Pflanzen wie ein Werk der Science-Fiction erscheinen mögen, ist es Forschern gelungen, Pflanzen zu erschaffen, die ihre eigene sichtbare Lumineszenz erzeugen - und sie sagen, die Möglichkeiten, wie wir diese Pflanzen nutzen können, seien endlos.

Diese Woche haben die Wissenschaftler in der Nature Biotechnology enthüllt, dass die Biolumineszenz, die in einigen Pilzen zu finden ist, metabolisch den natürlichen Prozessen ähnelt, die bei Pflanzen üblich sind. Durch Einfügen von DNA, die aus dem Pilz gewonnen wurde, konnten die Wissenschaftler Pflanzen erschaffen, die viel heller leuchten als bisher möglich.

Dieses biologische Licht kann von den Wissenschaftlern genutzt werden, um das Innenleben der Pflanzen zu beobachten. Im Gegensatz zu anderen gebräuchlichen Formen der Biolumineszenz, z.B. von Glühwürmchen, sind für die Aufrechterhaltung der Pilzbiolumineszenz keine einzigartigen chemischen Reagenzien erforderlich, d.h. Pflanzen, die die Pilz-DNA enthalten, leuchten während ihres gesamten Lebenszyklus, vom Keimling bis zur Reife, kontinuierlich.

Der Durchbruch ähnelt einem Projekt, das 2017 von Wissenschaftlern des MIT ins Leben gerufen wurde und bei dem Nanopartikel-Infusionen verwendet wurden, um die gespeicherte Energie der Pflanze in Licht umzuwandeln, obwohl das Leuchten jeweils nur etwa vier Stunden dauerte. Später verwendeten die Forscher ihre leuchtenden Pflanzen für eine Kunstausstellung, in der sie die Möglichkeiten der Integration der Pflanzen in moderne umweltfreundliche Architektur untersuchten.

"Die Beleuchtung verbraucht derzeit einen riesigen Teil unseres Energiebedarfs und nähert sich annähernd 20% unseres weltweiten Energieverbrauchs an, wobei jährlich zwei Gigatonnen Kohlendioxid erzeugt werden", sagt Michael Strano, der Carbon P. Dubbs Professor für Chemieingenieurwesen am MIT.

"Bedenken Sie, dass die Pflanzen mehr als nur die Lampe auf Ihrem Schreibtisch ersetzen. Es gibt einen enormen Energie-Fußabdruck, der möglicherweise durch die lichtemittierende Anlage ersetzt werden könnte".

Die Pflanzen, die in der Entdeckung dieser Woche beschrieben werden, können auch für praktische und ästhetische Zwecke verwendet werden, vor allem für die Schaffung leuchtender Blumen und anderer Zierpflanzen - und während sich das Ersetzen von Straßenlaternen durch leuchtende Bäume als fantastisch erweisen kann, erzeugen die Pflanzen eine angenehme grüne Aura, die von ihrer lebendigen Energie ausgeht.

Den Autoren zufolge können die Pflanzen über eine Milliarde Photonen pro Minute erzeugen.

Der Bericht in Nature Biotechnology wurde von 27 Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Karen Sarkisyan und Ilia Yampolsky verfasst. Die Forschung wurde hauptsächlich durch eine Zusammenarbeit zwischen Planta, einem Biotech-Startup-Unternehmen in Moskau, dem Institut für bioorganische Chemie der Russischen Akademie der Wissenschaften, dem MRC London Institute of Medical Sciences und dem Institute of Science and Technology Austria durchgeführt.

Light Bio ist ein neues Unternehmen, das plant, diese neuartige Technologie in Partnerschaft mit Planta in Zierpflanzen für den Hausgebrauch zu vermarkten. Dr. Keith Wood, CEO von Light Bio, erklärte: "Vor dreißig Jahren half ich bei der Schaffung der ersten lumineszierenden Pflanze mit einem Gen aus Glühwürmchen. Diese neuen Pflanzen können ein viel helleres und beständigeres Leuchten erzeugen, das vollständig in ihrem genetischen Code verankert ist".

Der Entwurf neuer biologischer Merkmale ist jedoch komplexer als das bloße Verschieben genetischer Teile von einem Organismus zu einem anderen. Wie Zahnräder in einer Uhr müssen sich die neu hinzugefügten Teile metabolisch in den Wirt integrieren. Bei den meisten Organismen sind die für die Biolumineszenz benötigten Teile nicht alle bekannt. Bis vor kurzem war eine vollständige Teileliste nur für bakterielle Biolumineszenz verfügbar, aber frühere Versuche, aus diesen Teilen leuchtende Pflanzen zu erzeugen, sind nicht gut verlaufen, vor allem weil bakterielle Teile in komplexeren Organismen typischerweise nicht richtig funktionieren.

Vor etwas mehr als einem Jahr deckten Wissenschaftler die Teile auf, die die Biolumineszenz in Pilzen aufrechterhalten. Zum ersten Mal wurde das lebende Licht eines fortgeschrittenen mehrzelligen Organismus vollständig definiert.

In dem vorliegenden Bericht legen die Autoren offen, dass die Biolumineszenz von Pilzen in Pflanzen besonders gut funktioniert. Dadurch konnten sie leuchtende Pflanzen herstellen, die mindestens zehnmal heller sind. Mit gewöhnlichen Kameras und Smartphones wurde die grüne Beleuchtung von Blättern, Stängeln, Wurzeln und Blüten aufgenommen. Darüber hinaus wurde die nachhaltige Lichtproduktion erreicht, ohne die Gesundheit der Pflanzen zu beeinträchtigen.

Obwohl Pilze nicht eng mit Pflanzen verwandt sind, konzentriert sich ihre Lichtemission auf ein organisches Molekül, das auch in Pflanzen zur Herstellung von Zellwänden benötigt wird. Dieses Molekül, Kaffeesäure genannt, produziert Licht durch einen Stoffwechselzyklus, an dem vier Enzyme beteiligt sind. Zwei Enzyme wandeln die Kaffeesäure in eine lumineszierende Vorstufe um, die dann durch ein drittes Enzym unter Erzeugung eines Photons oxidiert wird. Das letzte Enzym wandelt das oxidierte Molekül wieder in Kaffeesäure um, um den Zyklus erneut zu starten.

In Pflanzen ist die Kaffeesäure ein Baustein des Lignins, das die mechanische Festigkeit der Zellwände unterstützt. Sie ist somit Teil der Lignozellulose-Biomasse von Pflanzen, die die am häufigsten vorkommende erneuerbare Ressource der Erde ist.

Als Schlüsselkomponente des pflanzlichen Stoffwechsels ist Kaffeesäure auch integraler Bestandteil vieler anderer essentieller Verbindungen, die an Farben, Düften, Antioxidantien usw. beteiligt sind. Trotz ihrer ähnlich klingenden Namen ist die Kaffeesäure nicht mit Koffein verwandt.

Indem die Lichterzeugung mit diesem zentralen Molekül verbunden wird, liefert das von den Pflanzen ausgestrahlte Leuchten einen internen Stoffwechselindikator. Es kann den physiologischen Zustand der Pflanzen und ihre Reaktionen auf die Umwelt aufzeigen. Zum Beispiel nimmt das Leuchten dramatisch zu, wenn eine reife Bananenschale in die Nähe gelegt wird (die Ethylen abgibt). Jüngere Pflanzenteile neigen dazu, am hellsten zu leuchten, und die Blüten sind besonders leuchtend. Oft sind flackernde Muster oder Lichtwellen sichtbar, die aktive Verhaltensweisen innerhalb der Pflanzen offenbaren, die normalerweise verborgen wären.

In dieser veröffentlichten Forschung stützten sich die Autoren auf Tabakpflanzen wegen ihrer einfachen Genetik und ihres schnellen Wachstums - aber die Vorteile der Biolumineszenz von Pilzen passen im Großen und Ganzen zu den Pflanzen. Forschungen bei Planta sowie von Arjun Khakhar und Kollegen haben die Durchführbarkeit für andere leuchtende Pflanzen, darunter Immergrün, Petunie und Rose, nachgewiesen.

Mit der weiteren Entwicklung können noch hellere Pflanzen erwartet werden. Möglicherweise sind neue Merkmale möglich, wie z.B. die Veränderung der Helligkeit oder Farbe als Reaktion auf Menschen und Umgebung. Durch diese lebendige Aura könnten wir sogar ein neues Bewusstsein für unsere Pflanzen gewinnen, die den inspirierenden Reiz von Avatar nachahmen.

Nachdruck vom MRC London Institute of Medical Sciences

[übersetzt von max und deepL]

Quelle: https://www.goodnewsnetwork.org/researchers-make-plants-that-glow-sustainably/