如果你曾经幻想过漫步在一座让人联想起丛林的花园里， 头像里面盛开着在黑暗中发出柔和光芒的花朵，你离看到它成为现实比想象中更近了。如今，得益于合成生物学和基因工程， 有些植物无需插电、电池或荧光涂料就能自行发光。.
几十年前听起来像是科幻小说里的东西，现在已经变成了商业产品： 美国出售的一种生物发光矮牵牛花，在其整个生命周期中持续发出绿色光芒。这一成就背后隐藏着一个引人入胜的故事，它融合了森林发光真菌、19 世纪的实验、不同国家实验室之间的科学竞赛，以及一场日益激烈的社会辩论，这场辩论的焦点在于，我们应该在多大程度上改造生物体，“仅仅因为它看起来很漂亮”。
生物发光究竟是什么？
生物发光，简单来说，就是 某些生物通过内部化学反应产生光的能力。我们说的不是那种因为吸收光能而发光的贴纸，也不是灯泡：而是生物体自身生物作用产生的光。
这种反应总是涉及一种叫做“燃料”的分子。 萤火虫 以及一种起到催化剂作用的酶， 路西法荧光素酶促进荧光素与氧气的反应，生成一种处于极高能态的化合物，该化合物在弛豫时会释放光子： 我们看到的那道微弱的闪光，就像一道光晕.
这种机制及其变体出现在许多生物群体中： 细菌、鱼类、水母、蠕虫、两栖动物、节肢动物（如萤火虫）以及真菌目前已知的生物发光物种约有 1.500 种，大多生活在海洋中，夜晚的海洋变成了一场真正的发光奇观。
这种光的功能并非总是相同的。在某些物种中，它的作用是…… 吸引伴侣就像萤火虫一样；在其他情况下，它被用来…… 捕猎或吸引猎物有些组织将其用作 puddening……释放出能迷惑捕食者的明亮分泌物。还有一个非常有趣的假设：在许多谱系中，可能 生物发光最初是作为一种中和活性氧的方法而出现的。最初更多地发挥的是抗氧化系统的作用，而不是天然照明系统的作用。
科学家怀疑，这种能力在生命史上已经独立进化了数十次。 各组实验中使用的化学“技巧”类似，但荧光素和荧光素酶的具体细节有所不同。这使得复制一个系统并将其简单地插入到另一个组织中变得更加困难。
发光蘑菇及其光芒之谜
自古以来，发光真菌就备受关注。亚里士多德曾描述过会“燃烧”和发光的真菌，老普林尼也谈到过…… 木头上生长的真菌发出的光芒但几个世纪以来，没有人确切知道是哪些分子参与了真菌的发光现象。
早在19世纪，法国生理学家拉斐尔·杜布瓦就对发光甲虫属进行了一项关键实验。 发火菌他把那些闪亮的部分碾碎在冷水中，看到它们发光了一会儿，然后就灭了。他又用沸水重复了一遍，却没看到任何光。然而，当他把热的提取物和冷的提取物混合在一起时， 混合物再次燃烧起来。由此，他推断出其中存在一种对热敏感的成分（即酶，后来的荧光素酶）和另一种耐沸腾的成分（即燃料，荧光素）。几十年后，人们用真菌复制了这种方法，但结果却不尽相同。
如今已知大约有 130种生物发光真菌许多真菌一生中的大部分时间都以菌丝体的形式存在——这些菌丝体是由细丝组成的网络，在腐烂的木材中蔓延——而正是这些菌丝体会发光，它们通常隐藏在树干内部。有些真菌还会长出发光的蘑菇，在夜幕降临时将森林变成近乎超自然的景象。
旧金山州立大学的真菌学家丹尼斯·德斯贾丁描述了几种发光物种。从2005年开始，他与巴西化学家卡西乌斯·斯特瓦尼合作，改进了杜波依斯式的“冷热”实验。 混合不同种类真菌的提取物他们的研究结果表明，它们都使用相同的燃料和催化剂，这表明该谱系中的生物发光起源于同一个进化过程。
几乎与此同时，在俄罗斯，生物化学家 伊利亚·扬波尔斯基 他的团队也在追寻同一种神秘的化学物质。斯蒂瓦尼研究这个课题已经十五年了，当他得知俄罗斯人已经成功鉴定出真菌荧光素时，自然感到非常失望。从2017年开始，两个团队最终开始了合作； 他们共同完整地定义了真菌的生物发光系统。 他们在杂志上公布了细节。 PNAS 2018 年，这种真菌催化剂被赋予了一个既直接又具有象征意义的名字：光。
关键发现：从咖啡酸到生命之光
这个谜题中缺失的那一块最具讽刺意味：真菌燃料是由一种叫做……的分子产生的。 组氨酸它又是由一种非常常见的化合物制成的，即 咖啡酸这种抗氧化剂不仅存在于真菌中，也存在于许多植物中。正如斯特瓦尼幽默地说道，他花了数年时间寻找它，而实际上他每天都能透过窗户看到附近每株植物上都含有这种抗氧化剂。
真菌的代谢回路就像一个精巧的环路。咖啡酸转化为毛蕊花素，然后转化为真菌荧光素； 该物质通过释放光子发生氧化反应，生成的产物被回收再转化为咖啡酸。一个利用真菌和植物新陈代谢中一种中心分子的封闭循环。
在植物中，咖啡酸是一种基本的结构成分：它参与形成…… 木质素它能强化细胞壁，并有助于地球上巨大的木质纤维素生物质的形成。它还参与色素、香料和抗氧化剂的合成。尽管名称暗示了这一点， 这跟咖啡因无关。.
通过将光的产生与这种普遍存在的分子联系起来，研究人员意识到了一个强大的事实： 这种光泽可能成为植物新陈代谢状态的指标。事实上，他们观察到，较年轻的区域会发出更明亮的光芒，花朵尤其明亮，并且会形成光波或光闪烁，反映出通常不会被注意到的内部过程。
一项有趣的实验是将成熟的香蕉皮（会释放乙烯）放在这些发光植物附近。 光芒明显增强了。展示了生物发光如何作为对环境或压力信号反应的视觉指标。
从真菌到能自行发光的植物
了解了真菌的运作机制之后，就到了最棘手的部分： 将整个系统移植到植物上，而不扰乱它们的代谢，也不使它们因发光而“丧失能力”。这就需要用到合成生物学和足够的耐心了。
这位俄罗斯科学家 卡伦·萨尔基相一位合成生物学专家，现任职于伦敦帝国理工学院，领导鉴定了生物发光真菌所需的基因。 纳米新诺托潘他的团队选择了编码参与光循环的四种酶的基因，并将它们包装起来导入植物。
第一个试验田是烟草植物，这是植物生物技术的经典之作，因为 它们生长迅速，易于进行基因改造，并且能够很好地耐受“实验”。结果令人惊叹：叶子、茎、根、芽和花都发出绿光，用普通相机甚至手机都能捕捉到，而无需高灵敏度的科学相机。
萨尔基相通常将这一成功归结为以下几点： 植物和真菌“说着相似的生物化学语言”咖啡酸是两者共有的，这使得将代谢途径从一个生物体“翻译”到另一个生物体相对容易，前提是基因的表达得到适当调整，以免破坏宿主的稳定性。
经过一些调整，该团队成功地将这一壮举推广到其他物种： 菊花、杨树、模式植物 拟南芥长春花、玫瑰，当然还有矮牵牛花它们都能以稳定的方式将真菌系统整合到自己的基因组中，并在整个生命周期中表现出色，而无需添加外部化学物质。
之前的尝试：萤火虫、细菌和失败的项目
制造发光植物的想法并非起源于真菌，远非如此。早在20世纪80年代，化学家…… 基思·伍德 他是加州大学圣地亚哥分校一个团队的成员，该团队创建了…… 利用萤火虫基因通过基因工程创造出的第一株生物发光植物他们发表了这项发现。 科学 虽然它的光芒很微弱，但在当时却是真正具有开创性的。
问题是 这些植物并非天生就闪闪发光。必须将萤火虫荧光素外用，这种分子价格相对昂贵，不适合家庭使用。如果不给萤火虫“喂食”这种化合物，该系统就不会产生可见光。
几十年后，麻省理工学院的研究人员尝试了一种不同的方法： 将萤火虫酶封装在纳米颗粒中 将这些物质通过浸泡在特殊溶液中引入植物组织。这使得植物能够发光几个小时，但这仍然是暂时的，并且依赖于外部处理，远远超出了公众的需求。
与此同时，2010年，石溪大学的一个团队利用了来自……的基因。 生物发光海洋细菌 他们试图培育一种自发光植物，但发光强度非常低。即便如此，这也为一项日后名声大噪的项目奠定了基础： 安东尼·埃文斯在2013年发起的Kickstarter众筹活动它承诺“无需电力即可培育出卓越的植物”。
该项目由 Taxa Biotechnologies 公司开发， 筹集了近50万美元 他们向顾客提供发光植物的种子，以此来宣传转基因植物的安全性。这也引发了人们对大规模释放缺乏明确环境控制的转基因植物的担忧。经过多年的努力，该团队未能实现他们的目标：从萤火虫和细菌中提取基因。 它们未能有效地融入植物代谢。这些植物几乎不发光。
这一切都给我们上了一堂重要的课： 设计具有新性状的植物并非仅仅是“复制粘贴”基因。这就像试图把一个钟表的零件装到另一个钟表里：如果它们与整体机制不匹配，钟表就会停止运转，或者充其量也只能显示时间。而真菌途径则直接与咖啡酸（一种植物中天然存在的分子）相连，这才是关键所在。
Light Bio诞生了，闪耀的矮牵牛花也上市了。
既然真菌系统已被掌握并在多种物种中进行了测试，下一步就势在必行了： 将一种发光植物引入消费市场为此，基思·伍德与人共同创立了这家生物技术公司。 光生物 与 Karen Sarkisyan 和 Ilia Yampolinsky 一起，结合植物基因工程、生物发光和商业化方面的专业知识。
第一个面向公众推出的作品是 矮牵牛（矮牵牛室内生物发光它被昵称为“萤火虫”。白天，它的花朵看起来像普通的白色矮牵牛，但在黑暗的环境中，它们会发出柔和的绿色光芒，让人联想到萤火虫。 满月之夜的光芒正如萨尔基相本人所描述的那样，它不像灯那样明亮，但当你的眼睛适应了黑暗后，肉眼就能清晰地看到它。
2023年XNUMX月， 美国农业部（USDA）美国动植物卫生检验局（APHIS）对这种矮牵牛进行了监管审查，并得出结论： 它并未对环境构成重大风险。他们认为这不是入侵物种，预计不会取代本地植物，而且基因扩散到相关野生植物的可能性非常低。
经有关部门批准，Light Bio于2024年推出了首批商业化产品：一些 50.000万株植物分发至美国各地它的定价约为 29 美元（约合 541 比索或略低于 30 欧元）。需求量非常高，以至于超过 10.000 人排队等候购买属于自己的发光版。
科学界的反应既令人着迷，又令人羡慕。植物生物学家 迭戈·奥尔萨埃斯来自瓦伦西亚植物分子与细胞生物学研究所的研究人员将这一里程碑描述为： “革命性事件”有史以来第一次，一种无需特殊设备即可在客厅欣赏的植物被培育出来，亮度足以满足任何人的需求。他本人也坦言，身在欧洲的他，看到美国消费者已经可以购买到这种植物，而欧洲的监管却严格得多，不禁有些羡慕。
生物发光矮牵牛的内部运作原理
Light Bio矮牵牛的关键在于 它的基因组中整合了真菌的基因。 纳米新诺托潘 完成咖啡酸循环所必需的这种植物会产生酶，将这种化合物转化为真菌荧光素，通过氧化产生光，然后将产物循环利用回咖啡酸。所有这些过程在植物存活期间24小时不间断进行。
与其他经过基因改造而能发光的生物不同，矮牵牛不需要特殊的补充剂： 无需用稀有物质“喂养”它，也无需用紫外线照射它。 也不使用一个 生长灯它只需要阳光进行光合作用，以及正常的浇水和养护。植株越健康、越旺盛，它的光芒就越强，但始终保持在不会影响睡眠的柔和范围内。
Light Bio公司的代表坚称，该植物没有表现出因照明系统而产生的任何压力或健康问题迹象。对烟草和其他物种的试验表明： 照明生产不会对资源造成灾难性的“掠夺”。换句话说，这些植物并非因为一时兴起想要让它们闪耀光芒，就注定要过着敷衍了事的生活。
此外，该公司决定不限制顾客繁殖矮牵牛花。 尽管他们拥有这项技术的专利，但他们并不打算阻止人们尝试扦插或播种。他们的策略是开发新的、更引人注目的品种和更多用途，而不是阻碍植物的正常生命周期。
农业中的实际应用和用途
虽然从外观上看，它的主要用途纯粹是装饰性的——在床头柜上放一个发光的花盆 或在露台上—— 生物发光植物作为农业研究工具具有巨大的潜力。.
由于光与咖啡酸这种核心分子直接相关，因此光可以发挥以下作用： 植物生理状态的指标从实际角度来看，可以设计出这样的品种：当植物遭受缺水、病原体侵袭、盐胁迫或寒冷损害时，其亮度会增加或颜色会发生变化。
类似的研究已经在其他领域进行过：例如在实验室实验中， 生物发光基因与参与抵抗微生物的基因有关。这样一来，植物启动防御系统的区域就开始发光，从而直观地显示出哪些组织正在对感染做出反应。
如果将这个想法应用于农业，我们就可以培育出一些作物，它们会在农民看到任何明显症状之前就“发出警报”，提前发光。这将有助于…… 更精准地使用杀菌剂、肥料或灌溉降低成本和环境影响。专家认为，只要立法支持，这将是最有发展前景的行动方向之一。
真菌生物发光技术本身也被探索作为一种系统 生物医学和生物技术领域的市场营销因为它可以在新陈代谢中实现自主、连续和良好整合的光产生，而无需像萤火虫那样注射外源荧光素。
监管、风险和欧洲视角
发光矮牵牛花进入美国市场，再次引发了关于……的长期争论。 转基因生物（GMO）在美国，几十年来，工业化农业很大程度上依赖于转基因作物，因此，对于这类观赏性产品，监管环境相对灵活。
然而，在欧洲，情况却截然不同。 欧洲联盟 它拥有非常详细的法律框架来规范种植和销售。 转基因植物任何新品种都必须经过复杂的风险评估，以评估其对人类和动物健康以及环境的影响，尤其要重视其是否具有入侵性、影响本地物种或产生新的生态问题。
此外，在欧洲大陆，人们对以下方面有很多担忧： 粮食安全、环境影响和知识产权尽管基因编辑技术（包括 CRISPR 等工具）为培育更具抗性、营养更丰富或更可持续的作物开辟了许多可能性，但公众舆论仍然对任何听起来像“转基因”的东西非常不信任。
以生物发光矮牵牛花为例，科学家们坚持认为： 它不是入侵物种，它不是北美本土物种，也不被认为对生态系统构成威胁。世界各地花箱和加油站里常见的观赏矮牵牛花是由多种矮牵牛杂交而成的品种，例如： 矮牵牛它们并没有表现出侵略性杂草的行为。
然而，仍需谨慎：在欧洲允许类似项目之前，不仅需要仔细评估生态风险，而且 仅仅出于美观目的而对营销机构进行改造，会向公众传递怎样的信息？有人认为，将基因改造轻描淡写地看待，会阻碍对其真正必要用途（例如改良主粮作物或防治害虫）进行严肃的辩论。
这些闪闪发光的植物将现代生物技术领域的所有关键要素浓缩于一盆之中： 对自然的敬畏之情，人类改写生命密码的能力，以及决定我们希望这些被重新编程的基因讲述何种故事的责任，三者交织在一起，令人动容。.
从床头柜上矮牵牛花的微弱光芒，到照亮街道的树木，再到通过发光发出问题警示的农作物，人造生物发光物种的未来似乎才刚刚开始。
