«Мы занимаемся разработкой светящихся деревьев для освещения улиц»
Ученые внедряют систему свечения грибов в клетки млекопитающих для биомедицинских приложений, создают растения-экомониторы, которые начинают светиться при стрессе или заражении вирусом, а также задумываются над разработкой деревьев, которые смогут заменить уличные фонари. Об этом в интервью «Известиям» рассказал лауреат 2025 года Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» в номинации «Прорыв», доктор химических наук, заместитель директора по науке Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН Илья Ямпольский. Кроме того, он объяснил, как живые организмы светятся в темноте и как ученые впервые в мире сумели генетически перенести целую биохимическую цепочку, ответственную за феномен свечения, из одного царства живой природы в другое.
«Мы создали первые светящиеся растения»
— Когда мы слышим о светящихся растениях, сразу представляются новогодние елки. Но речь в ваших исследованиях не об этом. Расскажите максимально просто, что такое биолюминесценция и каким растениям она свойственна?
— Биолюминесценция — это излучение видимого света живыми организмами в ходе химической реакции (по сути, разновидность хемилюминесценции), в которой молекула-субстрат люциферин окисляется при участии фермента люциферазы. В результате окисления люциферин переходит в возбужденное состояние, а при возврате в основное состояние испускает свет.
Иногда такая реакция требует кофакторов, а у некоторых животных свет создают не их собственные клетки, а симбиотические бактерии. Биолюминесценция широко распространена прежде всего в море — у многих беспозвоночных и позвоночных, а также у микроорганизмов (в том числе у биолюминесцентных бактерий и динофлагеллят), на суше встречается реже — у некоторых грибов и у отдельных членистоногих, таких как светлячки; при этом у растений в природе биолюминесценции нет. Созданные нами растения стали первыми светящимися, биолюминесценция которых видна невооруженным взглядом.
— Когда человечество стало обращать внимание на биолюминесценцию?
— Человечество обращало внимание на биолюминесценцию с античных времен: еще Аристотель (IV век до н. э.) описывал свет, излучаемый мертвой рыбой и мясом, а Плиний Старший упоминал свечение сырой древесины и других природных источников света без жара. На уровне науки следующий большой шаг произошел в XVII веке, когда Роберт Бойль экспериментально показал, что для свечения в ряде случаев нужен воздух (кислород) — то есть это не «магия» и не горение, а химический процесс. Но по-настоящему современное исследование биолюминесценции стартовало в конце XIX века: французский ученый Рафаэль Дюбуа впервые разделил светящуюся систему на две составляющие — «субстрат» и «фермент» — и в 1887 году ввел термины «люциферин» и «люцифераза», заложив основу для биохимического понимания свечения.
В XX веке биолюминесценция была исследована с точки зрения биохимии и молекулярной биологии: начали выделять и очищать ферменты, выяснять, какие молекулы и условия нужны для реакции. Сейчас биолюминесценция — важный инструмент, позволяющий наблюдать процессы в клетках и организмах.
— До ваших работ было известно всего семь люциферинов, вам удалось открыть новые и перенести их методом генной инженерии в другие растения. Для чего это нужно?
— Как уже сказал, в природе нет биолюминесцентных растений. Поэтому мы переносили не в другие растения, а из грибов в растения. Декоративные растения — большой рынок, причем на этом рынке очень редко появляются принципиально новые продукты. Поэтому создание декоративных растений с принципиально новым качеством — одно из полезных применений. Другой аспект пользы заключается в том, что свечение — легко детектируемый сигнал, и поэтому данная система широко применяется для изучения молекулярных процессов в растениях, в частности для придания им полезных свойств — устойчивости к вредителям, повышения урожайности, разработки новых средств защиты растений и так далее.
«Белки разных цветов позволяют наблюдать за несколькими процессами в клетке и организме одновременно»
— Сейчас флуоресцентные белки широко применяются в биомедицине. Расскажите о самых интересных исследованиях в этой сфере, что с их помощью удалось и удается делать?
— Первый флуоресцентный белок (зеленый, GFP) был открыт в 1960-е годы Осаму Шимомурой, за что впоследствии он получил Нобелевскую премию. Флуоресцентные белки других цветов были открыты в 1999-м в ИБХ РАН Сергеем Лукьяновым. Белки разных цветов позволяют наблюдать за несколькими процессами в клетке и организме одновременно, что существенно расширяет круг вопросов, но которые можно получить ответ.
Например, GFP и его окрашенные аналоги дают возможность наблюдать в реальном времени циклы деления опухолевых клеток, апоптоз (запрограммированную смерть), миграцию клеток и развитие метастазов в живых моделях. Красители разных цветов позволяют одновременно помечать разные типы клеток — например, один ген может светиться зеленым в одной клетке и красным в другой, что помогает различать опухоль и здоровые ткани.
— Как это можно использовать?
— Можно отслеживать рост и метастазы опухолей in vivo, проводить исследования гемодинамики и взаимодействия клеток в организме. Сочетание флуоресцентных маркеров с двухфотонной микроскопией позволяет визуализировать активность нейронных цепей и развитие мозга в реальном времени. Помимо этого, на основе флуоресцентных белков создаются индикаторы содержания ионов или метаболитов. Такие биосенсоры сообщают об изменениях внутри клетки (например, концентрации кальция, pH или уровня энергетических молекул) световым сигналом, что позволяет мониторить внутриклеточные процессы без разрушения клеток.
Таким образом, флуоресцентные белки сегодня применяются практически во всех областях биомедицины — от фундаментальных исследований клеточной биологии до предклинических испытаний лекарств.
— Если говорить о других применениях — например, об освещении городской среды. Когда мы получим деревья, которые будут освещать улицы сами, без ламп?
— Мы занимаемся разработкой светящихся деревьев для освещения улиц. На практике мы пока добились свечения, недостаточного для такой задачи. Например, яркость созданных мной и коллегами люминесцентных растений сравнима с подсветкой люминесцентных часов в темноте. При таком уровне света их можно использовать как декоративную подсветку, но для уличного освещения деревья должны светиться примерно в 10–100 раз ярче. Сейчас эта технология находится в экспериментальной стадии, а ее практическое внедрение — реальная, но еще не достигнутая цель.
— Вы говорили, что уже выведены светящиеся цветы. Для чего они нужны, только для красоты или есть какие-то прикладные функции?
— Светящаяся петуния — декоративный продукт. Такие растения не требуют специального ухода и светятся всегда. Однако практические применение генетически кодируемой неинвазивной, то есть не требующей добавления внешнего субстрата, биолюминесценции — не менее значимо.
Биолюминесценция может служить маркером активации генов. Это важно при изучении физиологических ответов растений на стрессы — атаку патогенов, насекомых или неблагоприятных условий. Такие растения можно использовать в качестве биосенсоров. В нашей лаборатории сейчас создаются растения, которые начинают светиться при стрессе или заражении вирусом. Такой подход может существенно облегчить мониторинг здоровья посевов и снизить потери урожая в сельском хозяйстве. Поэтому светящиеся растения — это не только элемент интерьера, но и инструмент в сельском хозяйстве и экологии.
— Сейчас в науку пришла эра природоподобия. Можно ли перенести принцип биолюминесценции, например, в микроэлектронику?
— Тренд «биомиметика» актуален, однако переносить механизм биолюминесценции непосредственно в современную микроэлектронику сложно. Традиционная электроника основана на полупроводниковых приборах, где свет генерируется электрическим током в полупроводниках (LED, OLED и т.д.). Биолюминесценция же — это химическая реакция, требующая ферментов и субстратов, что непривычно для электроники.
Тем не менее существуют гибридные решения. Например, несколько групп интегрируют биолюминесцентные элементы с микрочипами для сенсоров. В 2021 году показали микрочип, который сочетает биолюминесцентные бактерии и кремниевый фотоумножитель (SiPM) для анализа качества воды. В этом устройстве свет, испускаемый бактериями, регистрируется миниатюрным детектором. Аналогично, биолюминесцентные белки внедряют в микрофлюидные чипы для быстрых биоаналитических тестов.
Но если речь о «микрочипах на живом свете», то пока это больше концепция будущего. Для логических элементов в устройствах биолюминесценция неприменима — слишком медленно и требовательно по условиям. Скорее всего, развитие пойдет по пути гибридов: например, органические светочувствительные устройства и оптоэлектронные датчики вдохновляются природой, но основаны на синтетических материалах.
«С помощью светящегося маркера легче отслеживать процессы болезни»
— А можно ли сделать светящимися животных? Ведутся ли уже такие эксперименты и для чего?
— Такие эксперименты уже проводились — как в научных, так и в декоративных целях. Примеров много: генно-инженерные «светящиеся» гидры, черви Caenorhabditis elegans и даже грызуны уже встречались в публикациях. Отдельно стоит упомянуть аквариумных рыбок GloFish — это рыбки, несущие гены флуоресцентных белков, и они продаются как домашние питомцы.
Вообще к началу 2000-х были созданы GFP-мыши, крысы, кролики, коты и даже некоторые виды приматов с флуоресцентными маркерами. Главная цель таких модификаций обычно исследовательская, а не эстетическая. С помощью светящегося маркера легче отслеживать процессы болезни, развития или регенерации тканей. Например, в работе Mayo Clinic клетки кошек с геном GFP служат индикатором переноса гена, приносящего иммунитет к вирусу FIV. Для домашних животных или человека это не несет прямой пользы, зато позволяет ускорить медицинские исследования.
— А это безопасно для них?
— Как правило, животные с флуоресцентными белками ведут нормальную жизнь. Эти белки (например, GFP, RFP) сами по себе нетоксичны и не потребляют слишком много ресурсов клетки. Многочисленные эксперименты показали, что такие модифицированные организмы нормально развиваются и плодятся, а потомство у них наследует свечение. Конечно, любые генетические изменения требуют тщательного контроля. Главное — соблюдать этику эксперимента и не забывать, что каждая такая модель создается ради конкретной пользы в исследованиях.
— Расскажите о том, какие исследования вы ведете сейчас. Над чем работаете?
— Наша группа продолжает работать над расширением набора доступных ученым биолюминесцентных систем. Сейчас мы сосредоточены на расшифровке таких путей из различных организмов. В частности, мы исследуем такие системы динофлагеллят (одноклеточные эукариоты, которые обитают в морской и пресноводной среде) и светящихся червей Henlea.
Помимо этого, мы начали внедрять биолюминесцентную систему грибов в клетки млекопитающих для биомедицинских приложений.
Кроме того, мы планируем использовать наш подход переноса биохимических путей для других прикладных задач. Например, разрабатываем методы переноса целых биохимических путей, не связанных напрямую с люминесценцией. Одно из перспективных направлений — это биоинжиниринг азотфиксации для растений: теоретически возможно внедрение в растения механизмов усвоения атмосферного азота. Это позволит растениям самостоятельно усваивать атмосферный азот и преобразовывать его в питательные вещества.
Мы продолжаем улучшать яркость созданных светящихся растений: улучшаем стабильность системы, изменяем спектр свечения, работаем над разными видами растений — не только табаком и петунией, но и другими декоративными растениями. Параллельно вместе с коллегами ведется коммерческая работа по демонстрации светящихся комнатных растений в павильонах и на выставках (в условиях законодательных ограничений). В целом наш фокус — это фундаментальные исследования механизмов свечения и их прикладное применение в сельском хозяйстве, экологии и биотехнологиях.
Другие проекты нашей группы посвящены прикладным биотехнологиям: это сладкие белки для пищевой промышленности, рекомбинантные белки для медицины и малые молекулы для фармацевтики.
— Как вы видите будущее этой технологии? Можете назвать какие-то самые смелые предположения?
— Конечно, хотелось бы создать светящиеся деревья для освещения улиц. С научной точки зрения важно дальнейшее развитие концепции растений-биосенсоров, которые могли бы светиться при опасных концентрациях загрязнителей или патогенов.
