Twoja wyszukiwarka

WOJCIECH NOWICZAŃSKI
ŻYWA CHŁODZIARKA
Wiedza i Życie nr 4/1999
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/1999

DO TEJ PORY OTACZALIŚMY SIĘ ROŚLINAMI, KTÓRE STWORZYŁA NATURA. DZIŚ DZIĘKI ROZWOJOWI INŻYNIERII GENETYCZNEJ ICH ULEPSZONE WERSJE PRZEJMUJĄ FUNKCJE SPRZĘTU GOSPODARSTWA DOMOWEGO.

Przywykliśmy już do doniesień o uzyskiwaniu, w wyniku modyfikacji genetycznych, pomidorów odpornych na gnicie, ziemniaków nie atakowanych przez stonkę, a nawet karpi o wadze ponad 10 kg. Mimo to pewnym zaskoczeniem była informacja o możliwości zastosowania w gospodarstwach domowych transgenicznych organizmów roślinnych jako chłodziarek, która pojawiła się w grudniu 1998 roku w prestiżowym miesięczniku "Nature Biotechnology" i od razu stała się przebojem dla agencji prasowych. Dotychczas jedynymi żywymi roślinami w naszych domach bywały pelargonia na oknie, bluszcz na regale i jeszcze ewentualnie anemiczna pietruszka na parapecie, wyhodowana z korzenia i okazjonalnie ucinana do przystrajania kanapek.

Tymczasem okazuje się, że zarówno rośliny, jak i zwierzęta, po odpowiednim przystosowaniu genetycznym, mogą stać się już w niedalekiej przyszłości niezwykle pożyteczną częścią wyposażenia mieszkań. Będą to biourządzenia (oczywiście nie jest to odpowiednie określenie, ale lepsze jeszcze nie powstało) przyjazne dla środowiska, niezwykle energooszczędne i... takie, które da się lubić, jak np. fikusa w salonie czy kota przy kominku. Dodatkowo będą nam pomagać w prowadzeniu gospodarstwa domowego.

Słynni futurologowie, jak Herbert Marshall McLuhan Jr. czy Stanisław Lem, już wiele lat temu twierdzili, że XXI wiek będzie niepodzielnie należał do biotechnologii. Rozumowali słusznie, że jeśli zaprzęgniemy do roboty enzymy, które potrafią w pokojowej temperaturze i w roztworach wodnych ułatwiać wydajne zachodzenie reakcji chemicznych w sposób całkowicie selektywny, można będzie zlikwidować wiele fabryk, uciążliwych dla środowiska i zastąpić je czystym przemysłem biotechnologicznym. Jednakże ci luminarze nie w pełni przewidzieli następny etap rozwoju, polegający na modyfikacjach genów w takim kierunku, aby nowy organizm jako całość spełniał określone funkcje, np. wytwarzał potrzebne leki, bioluminescencyjnie oświetlał biurko, chłodził lub grzał. W ten sposób enzymy nadal pracują dla nas, ale wewnątrz złożonego organizmu, którym nie musimy sterować ani nie potrzebujemy śledzić poszczególnych jego funkcji, bo i bez tego całość jest wysoce efektywna i pożyteczna.

CIEPŁO KWIATÓW

Tappy Colder z Little Rock w stanie Arkansas (USA) w tym sezonie zimowym ani razu nie ma zamiaru włączyć ogrzewania, za to przy każdym oknie postawił kilka transgenicznych filodendronów. Ofiarował mu je Roger Seymour z University of California w Los Angeles, który badał i opisał [patrz: "Świat Nauki" nr 5/1998, s. 78] naturalne efekty cieplne kwiatostanów tych roślin, a następnie tak zmodyfikował ich geny, żeby obficie kwitły przez cały rok, a temperatura kwiatów osiągała 60°C. Przy założeniu, że światła będzie dosyć, a Colder nie zapomni o codziennym podlewaniu roślin, ciepła powinno wystarczyć do ogrzania kilku pomieszczeń, zwłaszcza że zimy w Arkansas nie są ani długie, ani uciążliwe.

Odwrotny efekt zainteresował francuskiego badacza Pierre'a Lance'a. Podczas rokrocznych wypraw z kamerą na kangury niezmiennie fascynowały go australijskie drzewa butelkowe, niezależnie od panującego na zewnątrz upału zawsze wypełnione wspaniale chłodną wodą. Czyżby tylko parowanie przez pień i korę miało tak znaczący wpływ? Lance zasadził kilka małych butelkowców u siebie w laboratorium i rozpoczął badania. Po kilku miesiącach okazało się, że chłodzenie ma zupełnie inny mechanizm.

Przy wzroście temperatury wakuole otwierają się, wypuszczając kryształy szczawianu amonu do kanałów wodnych (1). Opróżnione wakuole są następnie wypełniane szczawianem wapnia za pomocą pomp molekularnych przemieszczających odpowiednie jony do wnętrza wakuoli (2)

Ryc. Joanna Murawska

Wiadomo, że rozpuszczaniu wielu związków chemicznych towarzyszą efekty cieplne. Każdy wie, że przy rozcieńczaniu spirytusu roztwór ogrzewa się, a rozpuszczanie saletry powoduje silne oziębienie układu. Temperatura jeszcze bardziej spada, jeśli roztwarzamy w wodzie szczawian amonowy; na zewnętrznej powierzchni naczynia może nawet pojawić się szron pochodzący od wymrażanej z powietrza wilgoci. To właśnie proces rozpuszczania szczawianu powoduje spadek temperatury w drzewach butelkowych (rys. powyżej).

Zbiornik wewnątrz pnia opleciony jest misterną siecią kanalików, w których pływają pęcherzyki, tzw. wakuole, wypełnione częściowo zestalonym szczawianem amonowym. Błony tych pęcherzyków składają się z podwójnej warstwy lipidowej i skutecznie izolują szczawian od zewnętrznego środowiska wodnego. Ale gdy temperatura ośrodka podniesie się powyżej pewnej wartości, w tym przypadku 25°C, uaktywnia się białko nazwane przez odkrywcę EFr2S, usytuowane w ściance, które niby zamek błyskawiczny otwiera pęcherzyk, uwalniając jego zawartość. Szczawian szybko rozpuszcza się w wodzie, obniżając temperaturę, dzięki czemu inne pęcherzyki na razie pozostają zamknięte.

Otwarty pęcherzyk zamyka się z powrotem (EFr2S tak reaguje na lokalny spadek temperatury), a pompy używające ATP zaczynają tłoczyć cząsteczki szczawianu z powrotem do środka, gdzie roztwór staje się z czasem coraz bardziej stężony. Uwalniane przy tym procesie ciepło krystalizacji zamieniane jest na energię chemiczną i w pewnym stopniu zostaje użyte do syntezy nowego ATP. Cykl jest bardzo wydajny, a energia z zewnątrz dostarczana z promieniowaniem słonecznym.

ROŚLINNE CHŁODZENIE

Pierre Lance od razu uświadomił sobie, jak wielkiej wagi odkrycia dokonał. Wyobraził sobie uszlachetnione butelkowe drzewka, stojące rzędem w salach konferencyjnych, w których zbędne stałyby się wszelkie energochłonne urządzenia klimatyzacyjne i nawilżające. A potem wpadł na pozornie fantastyczny pomysł żywej kuchennej chłodziarki.

Rozpoczął pracę od takiego zmodyfikowania genotypu butelkowca, żeby uzyskać dużą komorę powietrzną (zamiast wodnej) we wnętrzu pnia. Udało się to w wyniku dodania genu E 124 morszczyna przy użyciu mikroorganizmu o nazwie Agrobacterium tumefaciens [patrz: "WiŻ" nr 9/1998, s. 18]. Potem należało nieco zmniejszyć rozmiary drzewa, tak aby zmieściło się w normalnych pomieszczeniach kuchennych. Zamysł ten udało się urzeczywistnić w wyniku pobudzenia ekspresji czynnika antywzrostowego, którego gen AG-Cleo 55 pobrano od mikroskopijnych pleśni. Wreszcie przyszła pora na najważniejsze: termoregulację. Przecież żaden użytkownik nie zechce lodówki, która utrzymuje temperaturę 25°C!

Ten problem okazał się najtrudniejszy, ale w końcu stwierdzono, że wartość temperatury, przy której enzym EFr2S otwiera pęcherzyk z chłodzącym ładunkiem szczawianu, zależy od długości pewnego łańcucha peptydowego, stanowiącego fragment tego enzymu. Wersję enzymu o odpowiednich parametrach, a więc utrzymującego temperaturę około 9°C, uzyskano w wyniku nieznacznego skrócenia oryginalnego genu za pomocą tzw. enzymów restrykcyjnych (umożliwiają one cięcie cząsteczek DNA w kontrolowany sposób). Należy podkreślić, że to rozwiązanie stanowi ważny precedens w biologii molekularnej, umożliwia modyfikowanie funkcji określonych genów w sposób liniowy, czyli stopniowe wzmacnianie lub osłabianie pewnych cech.

Wyobraźmy sobie zdenerwowanie wynalazcy (to określenie jest bardziej na miejscu niż odkrywca), który po raz pierwszy zasadził biourządzenie roślinne, wyhodował je przy zastosowaniu odpowiednich mieszanek hydroponicznych, aż w końcu przetestował młodą roślinkę, umieszczając w jej wnętrzu menzurkę z wodą i termometrem. Wszystko działało! Pierre jedynie musiał przysunąć drzewko bliżej okna, gdzie padało więcej światła, żeby trzymało dokładnie temperaturę, nadążając z wyrównywaniem wymiany ciepła z otoczeniem.

Oczywiście, pojawiły się problemy do rozwiązania w przyszłości. Należy zastanowić się, jak zwiększyć grubość izolującej porowatej kory, a także jakie dobrać podłoże, by rośliny nie rosły zbyt szybko. Ale to już są drobiazgi techniczne, które, jak wiadomo, nigdy nie stanowiły prawdziwej przeszkody w rozwoju.

POWRÓT DO NATURY?

Wielu Czytelników potraktuje powyższe doniesienie jedynie jako ciekawostkę, ale niektórzy na pewno zastanowią się nad ogólnymi implikacjami wynalazku w kontekście historii naszej cywilizacji. Kiedyś człowiek żył bliżej przyrody, w lasach, na polach, hodował zwierzęta gospodarskie. Teraz, po okresie korzystania z wytworów epoki industrialnej, wkraczamy w okres neobiologizmu, kiedy to znów otoczymy się żywymi organizmami, tyle że zmodyfikowanymi według naszych potrzeb i zachcianek. Co będzie dalej? Potem przyjdzie kolej na nas, ludzi. I to niezależnie od tego, co teraz o tym wszystkim sądzimy. Na razie w Cergy pod Paryżem można już nabyć nasiona lodówek różnych rozmiarów, a nawet kolorów (brzoza, mahoń, kora sosnowa, platan). Prowadzi się sprzedaż wysyłkową, także przez Internet ( http://bio.freeze.com/).

Zapamiętajcie zgrabną nazwę firmy, założonej przez Pierre'a Lance'a: Cool-Trans-Gen, bo już wkrótce jej reklamy pojawią się i u nas, gdy wynalazek uzyska odpowiednie atesty.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(09/98) Klimat, plankton i zasoby rybackie
"Świat Nauki" nr 5/1998, s. 78