Popiska Michael Strano, profesor chemického inženýrství na MIT a vedoucí výzkumného kolektivu má na svém kontě celou řadu inovací. Svítícím rostlinám předcházela příprava plodin schopných odhalovat výbušniny. Kredit: MIT.

Když kolektiv autorů z MIT poprvé popsal své světélkující pokojové rostliny, setkalo se to u veřejnosti s rozporuplnými reakcemi. Aktivisté za vše přirozené jim spílali, že se pletou přírodě do řemesla, architekti a pokojoví dizajnéři naopak hned chtěli mít rostliny ve svých pokojích či před domem jako živé lampičky, které netřeba zapojovat do elektriky. Na vlně enormního zájmu vznikl dokonce kikstarter dodávající zájemcům vše potřebné, aby si kutilsky svítící rostliny mohli udělat doma sami. Mnozí z těch, kteří to myslí s ekologií a planetou dobře, jsou stále na rozpacích. Na jednu stranu jsou pro ně takové organismy něčím, co je nepřirozené, na druhou stranu jimi propagované lampičky vybavené solárním panelem jsou také něčím nepřirozeným a rostliny mají ještě bonus - v porovnání se solárními udělátky ze skla plastu, lithia, mědi a dalších ekologii dost nepřátelských látek, výroba rostlin není energeticky náročná. A na konci jejich životnosti u nich nevzniká obtížně recyklovatelný odpad.

Osvětlení podle některých odhadů představuje asi 20 procent celosvětové spotřeby energie. Z vyjádření expertů na stav naší přenosové soustavy, spolu s nastolováním green dealu, čas energetických blockoutů nemusí být daleko. Rostliny mají vlastní energii, jsou již přizpůsobeny venkovnímu prostředí a umí se samy opravit. Svitu, v němž budeme schopni se alespoň jakž takž orientovat, by mohli přijít na chuť i aktivisté, kteří upravené rostliny vytrhávají a pokusné laboratoře vědcům zapalují. Kredit: nasa.gov

Nejprve si zopakujme, jak se vědci dobrali k první generaci svých světlonošů. Psal se rok 2017 když Seon-Yeong Kwak z týmu Michaela Stranoa z Massachusettského technologického institutu (MIT) veřejnosti představil rostliny jejichž svícení je poháněno energetickým metabolismem samotné rostliny. Vložením specializovaných nanočástic do listů řeřichy, se jim podařilo rostliny přimět vydávat slabé světlo po dobu zhruba tří hodin.

Aby vytvořili své zářící rostliny, tým MIT si vzal na pomoc luciferázu - enzym, který se v přírodě osvědčil například světluškám. Ty s jeho pomocí působí na molekulu zvanou luciferin, což přivodí vyzařování světla.

Na tomto obrázku Michael Strano s kolegy představuje jednu ze svých inovací - neopren dopovaný xenonem nebo kryptonem. Říkají mu „umělý tuk“ protože ve vodě chladnější než 10 stupňů Celsia upravený neopren (aniž by nabyl na tloušťce a zvyšoval plavcům neohrabanost) vylepšuje tepelně izolační vlastnosti a dobu ponoru z méně než jedné hodiny prodlužuje na dvě až tři hodiny. Infuzovaný neopren, jak se odborně vylepšení označuje, nevyžaduje žádný podpůrný tepelný systém, jako je třeba cirkulace teplé vody pod neoprenem. Lze ho dokonce připravit ze standardního obleku jeho umístěním do tlakové nádoby, která není větší než soudek na pivo. Ta se naplní inertním plynem a oblek v něm zůstane zhruba jeden den. Ošetření vylepší vlastnosti klasického neoprenu asi na 20 hodin. To je dostačující, neboť to je mnohem delší doba, než jakou potápěči tráví ponorem. Kredit: MIT.

Chemicky jde o to, že luciferin za přítomnosti adenosintrifosfátu vytvoří adenylluciferin a ten následně při oxidaci uvolňuje přízračnou záři. Do svého systému vědci museli tehdy ještě přibrat další molekulu - koenzym A. Jeho úkolem je odstraňovat vedlejší reakční produkt výše popsané reakce, který by aktivitě enzymu luciferázy nesvědčil. Pak už jen stačilo každou ze tří zmiňovaných složek zabalit a vpašovat vše do rostliny aby si toho pokud možno, nevšimla. Docílili toho ttím, že každou složku zabalili zvlášť. Aby učinili za dost, tak jako nosiče použili materiály, které americký úřad pro kontrolu potravin a léčiv vede v kolonce „bezpečné“. V případě luciferázy to byly nanočástice oxidu křemičitého (velikost okolo 10 nanometrů). Luciferin a koenzym A obalili polymerem PLGA a chitosanem. Pak už zbývalo jen částice do rostlin nějak dostat. Všechno to rozmíchaly ve vodě a pak do ní rostliny ponořili. Normálně by se toho moc nestalo, ale ponořené semenáčky vložili do jakéhosi papiňáku v němž rostliny vystavily vysokému tlaku. Pochopitelně, že za normální pokojové teploty. V podstatě jde tedy o humpolácky násilnickou metodu s propasírováním nanočástic rostlinám přes jejich průduchy (otvory kterými rostliny dýchají) do pletiva listů.

Kolokázie jedlá (Colocasia gigantea) alias Thajské sloní ucho, nebo také taro. Jednoděložná rostlina z čeledi árónovité. Také ona podle vědců bezproblémově snáší aplikaci nanočástic do listového pletiva. Její velké listy mají být předzvěstí prakticky využitelného osvětlení. Kredit: Gardenology.org, CC-BY-SA 3.0.

Tím, že částice s luciferinem a koenzymem A, připravili záměrně velké, docílili jejich akumulace v extracelulárním prostoru mezofylu (vnitřní vrstvě listu). Malé částice s luciferázou naopak prostoupily až do buněk tvořících mezofyl. Z velkých částic (obalených PLGA) se postupně uvolňuje luciferin. Jeho molekula je titěrná a snadno vstupuje přes buněčnou membránu až do buněk. Tam už na něj čeká luciferáza a dochází k chemické reakci. Luciferin se rozzáří.

To je technika, kterou se vědci chlubili před čtyřmi roky. Tiskem tehdy kolovala celá řada fotografií rostlin s pozadím z novin a v popiskách se zdůrazňovalo, že rostliny září až 3,5 hodiny. Poněkud taktně se zamlčovalo, že fotky jsou pořizovány dlouhou expozicí a že ve skutečnosti deset centimetrů vysoký semenáček je schopný generovat jen asi jednu tisícinu světla potřebného ke komfortnímu čtení.

Před několika dny vyšel v časopise Science Advances  článek pod názvem „Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor“. S velkou publicitou se nesetkal. Přitom jde o počin, který svítící rostliny posouvá směrem k praktickému využití. Třeba tím, že nově připravené rostliny lze opakovaně „nabíjet“. Stačí je 10 sekund osvítit LED světlem a ony pak několik minut jasně září. Nejen, že je lze dobíjet opakovaně, ale tyto živé zelené lampičky druhé generace vydávají světlo 10krát jasnější než produkovala první generace z roku 2017. Možná není daleko doba, kdy po večerní návštěvě ledničky už nebude třeba zažínat světlo. Dovedu si představit i okrasné květináče před garáží, které v noci nasvítí cestu domů. Meze fantazii se v tomto směru rozhodně nekladou.

První generace svítících rostlin připravených pracovníky MIT v roce 2017. Kredit: Seon-Yeong Kwak, MIT.

V čem spočívá nynější vylepšení rostlin? Vědci to popisují jako dodání běžné součástky, která se používá v elektrických obvodech a která ukládá elektřinu aby jí posléze uvolnila – v kondenzátoru. V případě zářících rostlin je tím kondenzátorem luminofor uchovávající světlo ve formě fotonů, které pak v průběhu času postupně uvolňuje. Chemicky jde o hlinitan strontnatý. Vědci ho jen upravili do formy nanočástic obalených oxidem křemičitým. To proto, aby rostlině neškodil, když jí ho ve velikostech několika set nanometrů již dříve osvědčenou metodou násilím nacpou přes průduchy do listů. Za hlavní poznatek své práce vědci považují to, že fotonické částice vpravené do rostlin je nepoškozují.

Své svítící rostliny druhé generace vylepšili vědci luminiforem z hlinitanu strontnatého potaženého oxidem křemičitým. (Kredit: Volné dílo).

Když si to shrneme, tak se vědátorům z MIT podařilo připravit rostliny, které mohou absorbovat fotony buď ze slunečního světla nebo z LED. Že po 10 sekundách expozice modrými ledkami vyzařují světlo zhruba hodinu. Nejjasnější je prvních pět minut, poté postupně slábne. Na experimentální výstavě ve Smithsonian Institute of Design vědci své výtvory předvedli veřejnosti. Ukázali, že jejich rostliny lze opakovaně dobíjet po dobu nejméně dvou týdnů. Že tak jako každé světlo, lze i to z rostlin koncentrovat, respektive zrcadlem posílat „za roh“. Pomocí velké Fresnelovy čočky zesílené světlo přeposílali na vzdálenost více než jeden metr.

Pohled na nanočástice (zeleně) zabudované v listu rostliny. Spočívají jako film na povrchu houbovité tkáně (mezofyl) a vyzařují světlo. Lze je opakovaně „nabíjet“ pomocí LED diody. Kredit: Massachusettský technologický institut.

Vědci jsou přesvědčeni, že jejich technologie se uplatní i ve velkoplošném osvětlení a že jejich rostliny budou lidem ku prospěchu. Například v městských parcích. Za pravdu jim dávají pokusy, které ukazují, že zvolený přístup „světelných kondenzátorů“ funguje nejen u pokusného tabáku, ale u mnoha dalších druhů, například bazalky, řeřichy i sedmikrásky. Na rostlině s obrovskými listy Colocasia gigantea, u nás známé jako thajské sloní ucho, vědci ukázali, že jejich cíl venkovního osvětlení pomocí rostlin s velkými listy, by nemusel být až tak ztřeštěným nápadem. Prozatím testy nenaznačují, že by nanočástice rostlinám škodily, neboť normálně fotosyntetizují, dýchají i odpařují vodu.

Svítící rostliny lze připravit také genetickými manipulacemi. Jejich svit není tak intenzívní, zato dostávají do vínku schopnost svítit doživotně. Na snímku je světélkující tabák z dílny Keith Wood/ DeLuca lab. Kredit: Iowa State University.

Autor tohoto pojednání ale není takovým optimistou. Zvláště se mu nezdá dlouhodobá funkčnost jejich řešení. Zatím vědci dokázali, že dobíjející rostliny fungují deset dnů. Těžko uvěřit, že by ukázku upotřebitelnosti neprotáhli déle, pokud by to šlo. Nejspíš za tím stála klesající svítivost a nechtělo se jim vysvětlovat, že by rostliny bylo třeba znovu přenést do tlakových hrnců a „náplň“ částic s enzymem obnovit. I kdyby nakrásně kolektiv Michaela Strana měl ve svých vizích pravdu, v našich podmínkách by na veřejných prostranstvích vyvstal ještě problém s životností olistění rostlin. Zvláště poté, co by vešlo ve všeobecnou známost, že z listů upravených rostlin lze 60 procent luminoforů extrahovat a znovu je použít v jiné rostlině.

Spíš se mi zdá, že dříve dojde uplatnění jiná vychytávka, na níž má profesor Strano lví podíl. Netýká rostlin, ale neoprénu. Přezdívají mu „umělý tuk“. Nejspíš proto, že plavcům a potápěčům ztrojnásobuje dobu přežití v arktických vodách.

Ale zpět ke svítícím rostlinám. Budoucnost rozhodně mají, jen se zdá, že pravděpodobnějším způsobem jejich přípravy bude cesta, kterou postupují genetici. Jejich produkty se nemohou chlubit tak intenzivním svitem (film na mezofilu od konkurence z MIT vykazuje fotoemisi až 4,8 × 10 ¹³fotonů za sekundu), nicméně jejich svěřenkyně mají něco, co je z hlediska praxe mnohem zajímavější – schopnost svítit celoživotně.

Zpočátku genetici vpravovali do genomu rostlin úseky DNA vypreparované z bioluminiscenčních bakterií, či světlušek. Bylo to komplikované a neujalo se to. Ani nelenili a okoukáváním luminiscenčních schopností hub pronikali do tajů jejich metabolického cyklu kyseliny kávové. Zmíněnou kyselinu tvoří jak houby, tak i rostliny. V nových snahách genetických manipulátorů jde už „jen“ o to, znásilnit rostliny, aby po vzoru hub, nevěnovaly všechnu kyselinu na tvorbu ligninu, ale část ji obětovaly na tvorbu luciferinu.

Třeba se časem „jemnou domlouvací“ genetickou metodu, podaří kombinovat s tou humpolácky tlakově násilnickou z MIT, které nejde upřít některé přednosti. Ať už k takovému spojení dojde či nikoliv, v každém případě bude dobré si pojem nanobionika vštípit do paměti a mít představu, o co v ní jde. Že vylepšování organismů nemusí mít s genetickými modifikacemi nic společného a také, že tu nejde jen o svítící rostliny a že je jen otázkou času, než se s organismy oplývajícími nepřirozenými vlastnostmi, roztrhne pytel a stanou se běžnou praxí. Jak rychle k tomu dojde nezávisí jen na vědcích, ale také jak se k vylepšovacím technologiím postaví veřejnost. Zkušenosti z oblastí genetiky a energetiky nám dávají najevo, že politická rozhodnutí (potažmo legislativa) ctí názor voličské základny a že ten s rozumem nemusí mít mnoho společného.

Video: První generace svítících rostlin připravená v MIT

Literatura

Pavlo Gordiichuk et al, Augmenting the living plant mesophyll into a photonic capacitor, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abe9733