Könnten im Dunkeln leuchtende Pflanzen Straßenlaternen ersetzen?

Anfang Mai 2013 wies die US-Regierung eine in Texas ansässige gemeinnützige Organisation an, Baupläne für ein gefährliches Gerät von ihrer Website zu entfernen. Der Artikel? Der Liberator, eine funktionierende Plastikpistole, die auf einem mehrere tausend Dollar teuren industriellen 3-D-Drucker abgefeuert wurde. Die Blaupausen wurden schätzungsweise 100.000 Mal heruntergeladen. Sie existieren wahrscheinlich immer noch im Web [Quelle: BBC ].

Wir leben in einer Zeit, in der „Do-it-yourself“ aufregende und nervenaufreibende Konnotationen angenommen hat, vom Schreiben einer Killer-App bis zum Bau eines DIY-Kernreaktors [Quelle: Clynes ]. Da billiger 3-D-Druck immer komplexere Aufgaben übernehmen kann, könnten wir bald unsere eigenen Spielzeuge, Einrichtungsgegenstände – sogar Haushaltselektronik herstellen [Quelle: Dillow ]. Schließen Sie die tiefe und umfangreiche Wissensbasis des Internets und die Steuerkraft von Crowdfunding-Sites wie Kickstarter an, und Sie haben ein Rezept für eine veränderte Welt.

Aber sind wir bereit, so viele Genies auf einmal aus so vielen Flaschen zu befreien? Bevor Sie antworten, bedenken Sie, dass einige dieser Flaschen mit „Bakterien“ und „DNA“ beschriftet sind, Werkzeuge in der aufkeimenden Heimindustrie der Heimwerker-Biotechnologie. Was ist also gefährlicher: synthetisches und gentechnisch verändertes Leben oder eine druckbare Waffe?

Das waren die Fragen, die von Umweltgruppen aufgeworfen wurden, als der synthetische Biologe Omri Amirav-Drory, der Pflanzenwissenschaftler Kyle Taylor und der Projektleiter Antony Evans die Kickstarter-Kampagne „Glowing Plants“ starteten, um „echte leuchtende Pflanzen in einem Do-it-yourself-Biolabor in Kalifornien zu erschaffen“ [Quellen : Evans ; Paramaguru ; Seelachs ]. Wie die Spender des öffentlich-rechtlichen Rundfunkdienstes erhalten auch die Mitwirkenden der Kickstarter-Kampagne Spendenzusagen, aber das sind keine Tragetaschen: Stattdessen erhält jeder, der 40 US-Dollar einwirft, Samen für den Anbau seiner eigenen leuchtenden Pflanzen.

Harmlos? Vielleicht, vielleicht nicht. In jedem Fall läuft es auf die unkontrollierte Verbreitung einer gentechnisch veränderten Lebensform hinaus.

Bis zum 5. Juni hatte Glowing Plants 7.858 Unterstützer und mehr als 451.207 $ an Fördergeldern angehäuft. Nachdem es sein ursprüngliches Ziel von 65.000 US-Dollar überschritten hatte, um strahlende Arabidopsis thaliana anzubauen – ein Verwandter des Unkrautsenfs und Lieblingspflanzen-Meerschweinchen – näherte es sich schnell seinem Stretch-Ziel von 500.000 US-Dollar. Die Forschung könnte eines Tages zu einer Vielzahl von Beleuchtungslösungen führen, die laut Evans unsere CO2-Bilanz erheblich beeinträchtigen würden [Quellen: Evans ; Paramaguru ; Seelachs ].

Evans und Co. sind bei weitem nicht das einzige Spiel in der Stadt. Forscher in Taiwan untersuchen die Diffusion von Gold-Nanopartikeln in Baumblätter, um sie sowohl zum Leuchten als auch zur Photosynthese zu bringen und Kohlenstoff aus der Luft zu entfernen [Quellen: Beck ; Nagano ]. Näher an der Heimat hat Alexander Krichevsky, der die Forschung der Stony Brook University leitete, die dazu beitrug, leuchtende Pflanzen zu inspirieren und anzutreiben, seine eigene Firma, BioGlow, gegründet, um leuchtendes Zierlaub zu vermarkten [Quelle: Pollack ].

All dies lässt eine eklatante Frage offen: Werden die Pflanzen überhaupt funktionieren? Werden wir bald bei Rhododendron ein Buch lesen oder bei Lärchenlicht Auto fahren?

Sie sagen, dass aus kleinen Eicheln mächtige Eichen wachsen. Beleuchtete Eichen erfordern jedoch ein wenig Hilfe von der Wissenschaft.

Die Forschung zu fluoreszierenden Markern, die der Initiative „Glowing Plants“ zugrunde liegt, wurde von den Nobelpreisträgern von 2008, Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Y. Tsien, entwickelt, aber die Arbeit an der Verfolgung der Genexpression mithilfe des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) blühte in den 1990er Jahren wirklich auf. Das Protein, das leuchtet, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, leitete bald einen grundlegenden Wandel in der Molekular- und Zellbiologie, Medizin und Pharmakologie ein und trug dazu bei, den Samen für junge Biotech-Industrien wie Biosensoren und Bioinformatik zu pflanzen [Quellen: Evans ; Lee und Minute ; Nobel-Stiftung ; Timer ; Tsien ].

Aber Pflanzen, die ein Schwarzlicht benötigen, um zu leuchten, nützen nicht viel zum Fahren oder Lesen. Solche Anwendungen erfordern eine lichtspendende chemische Reaktion, eine Art keimendes Leuchtstäbchen.

1986 schufen Forscher der University of California in San Diego (UCSD) genau das, als sie eine Tabakpflanze modifizierten, um ein Enzym namens Luciferase zu produzieren. Wie Ihnen jedes Glühwürmchen sagen kann, emittiert Luciferase Licht, wenn es mit ATP, einem energiespeichernden Molekül, das im Stoffwechsel verwendet wird, und Luciferin, einem organischen Molekül, reagiert [Quelle: Monastersky ].

Die Pflanze von UCSD war jedoch in einem wichtigen Punkt eingeschränkt: Sie produzierte kein eigenes Luciferin, also war sie nicht in der Lage, es sozusagen alleine zum Leuchten zu bringen. Im Jahr 2010 überwanden Forscher der Stony Brook University diese Einschränkung, indem sie sechs Luciferin-codierende Gene aus biolumineszierenden Meeresbakterien in genetisches Material in den Chloroplasten der Pflanze (Pflanzenstrukturen, die photosynthetische Pigmente enthalten) einschleusen. Et voila, selbstlumineszierender Tabak – vermutlich für genesende Raucher, die sich gerne anzünden, ohne anzuzünden [Quellen: Evans ; Krichevsky et al. ; Paramaguru ; Seelachs ].

Leider leuchtete die Stony Brook-Pflanze so schwach, dass es fünf Minuten in der Dunkelheit dauerte, bis das menschliche Auge sie wahrnahm [Quelle: Pollack ]. Schlimmer noch, das Leuchten zerstörte sich allmählich selbst, als das Luciferin, das es antreibt, in Oxyluciferin umgewandelt wurde [Quelle: Swain ].

Ein möglicher Ausweg aus dieser chemischen Sackgasse kam 2010, als ein iGEM-Team der Universität Cambridge (siehe Seitenleiste) Gene von Glühwürmchen und biolumineszierenden Bakterien in modifizierte E. coli einfügte und einen Prozess entwickelte, der Oxyluciferin wieder in seinen Glanz zurückverwandelt -freundlicher Vorläufer. Ihr Verfahren erhöhte auch die Lichtleistung so weit, dass eine Bakterienkultur in der Größe einer Weinflasche genug Licht zum Lesen abgab. Endlich hatten Evans und Co. die Teile, die sie für eine erneuerbare und sich selbst erhaltende Pflanzenlampe brauchten [Quellen: Evans ; iGEM ​​; Schwan ; Timmer ].

Aber während leuchtende Markierungen lebenswichtige Forschungs- und medizinische Anwendungen umfassen, lässt die Spitze eines leuchtenden Baums – selbst wenn er möglicherweise positive Auswirkungen auf die Umwelt hat, wenn Evans Recht hat – viele Beobachter ratlos zurück.

Computerviren (buchstäblich)

Im Mai 2010 schuf das Celera-Team der genetischen Koryphäe Craig Venter mit dem Äquivalent eines DNA-Druckers die erste synthetische Lebensform. Heute sind DNA-Gießereien ein wachsendes Geschäft, und einige Experten argumentieren, dass wir nur noch ein Jahrzehnt davon entfernt sind, Rezepte aus dem Internet zu Hause zu drucken [Quelle: Wadhwa ].

In der Zwischenzeit bringen gemeinsame Bemühungen wie der jährliche Wettbewerb, der von iGEM (International Genetically Engineered Machine Foundation) gesponsert wird, Studenten bei, wie man synthetische Organismen mit BioBricks baut. So wie Open-Source-Computercode beim Aufbau des Internets half, könnten diese biologischen Bausteine ​​bald die Grundlage für größere, integrierte biologische Systeme bilden [Quelle: iGEM ].

Wie viel oder wenig Evans und Co. letztendlich mit Glowing Plants erreichen, nicht alle teilen ihre Begeisterung für die Aussicht auf Crowdsourcing, hausgemachtes, synthetisches „Genegeneering“. Einige stellen die Sicherheit des Projekts in Frage, während andere sich auf seine Gültigkeit und Finanzethik konzentrieren.

Laut der New York Times haben die Umweltgruppen Friends of the Earth und die ETC Group das US-Landwirtschaftsministerium kontaktiert, um das Projekt und seine potenzielle „weit verbreitete, zufällige und unkontrollierte Freisetzung von biotechnologisch verändertem Saatgut“ zu verhindern. Was das Geld betrifft, sagte Evans der Times, dass er einige Kickstarter-Gelder für die Erforschung verwandter öffentlicher politischer Themen aufwenden werde, aber viele Kommentatoren bleiben skeptisch [Quelle: Pollack ; Timmer ].

Wie gruselig sind diese Bäume? Könnten sie die Umwelt mit Feenpollen belasten? Es ist schwer zu sagen. Der Prozess, den Glowing Plants verwenden wird, ähnelt dem an der Stony Brook University entwickelten, der Chloroplasten betraf. Bei den meisten blühenden Arten werden Chloroplasten mütterlich vererbt – durch Samen weitergegeben, nicht durch Pollen – was das Risiko einer Umweltkontamination durch beispielsweise leuchtende Rosen verringert, aber viele Bäume fallen nicht in diese Kategorie [Quelle: Krichevsky et al. ].

Und Pollen sind nur eines von vielen potenziellen Umweltproblemen. Wie würden zum Beispiel Vögel, Eichhörnchen oder lebenswichtige Insekten auf einen leuchtenden Baum reagieren? Wie würden Planer vorgehen, um eine Umweltverträglichkeitsprüfung für eine solche Anlage durchzuführen?

Inzwischen warten auch zahlreiche praktische Fragen auf Antworten: Wie viel Energie könnten solche Anlagen für die Lichterzeugung aufwenden? Und wie hell werden sie am Ende leuchten [Quellen: Pollack ; Timer ]?

Das Problem ist Energie. Obwohl die Gesamtsonnenstrahlung , die auf einen durchschnittlichen Baum trifft, die Menge übersteigt, die für den Betrieb einer effektiven Straßenbeleuchtung erforderlich ist, erreicht nur ein kleiner Bruchteil dieser Sonneneinstrahlung die Blätter eines Baums – und nur ein kleiner Teil davon fällt in das für die Photosynthese erforderliche Wellenlängenband . Der Baum muss dann einen beträchtlichen Teil dieser Energie zum Leben und Wachsen aufwenden und lässt nur einen Bruchteil eines Bruchteils eines Bruchteils übrig, um Licht zu erzeugen – ganz zu schweigen von der Energie, die erforderlich ist, um die notwendigen Chemikalien herzustellen. Das Problem würde sich im Winter nur verschlimmern, wenn das verfügbare Sonnenlicht schwächer wird und Bäume in eine metabolische Stase geraten, die ihren chemischen Glanz töten muss [Quelle: Timmer ].

Und das ist die Wurzel des Problems. So pappelig die Idee auch sein mag und wie viele Spender dafür auch wühlen oder schimpfen mögen, leuchtende Bäume sind bestenfalls eine schattige Aussicht.

Stecken Sie das in Ihre Steckdose

Leuchtende Pflanzen sind nur ein Beispiel für einen großen Wandel in unserer Wahrnehmung von Beleuchtung. Während die Forschung weiterhin aufdeckt, wie bestimmte Wellenlängen des Lichts Depressionen , Entspannung, Konzentration und sogar Kriminalitätsraten heilen oder beeinflussen können, ist die Industrie darauf aufmerksam geworden. Bald werden wir über "Ist es hier hell genug?" hinausgehen. zum Kauf von Haushalts- und Arbeitsleuchten, die nach Belieben eingestellt werden können, um die gewünschten Effekte zu erzielen [Quellen: Barringer ; Der Yomiuri Shimbun ].

Anmerkung des Autors: Könnten im Dunkeln leuchtende Pflanzen Straßenlaternen ersetzen?

Würdest du in einer Welt leben wollen, die wie eine Pandora-Kopie aussieht oder wie die Wanddekorationen eines Stoner-Crashpads schmettert? Wenn Sie ja sagten, würde sich Ihre Antwort ändern, sobald Sie erkennen, dass es wahrscheinlich keine Möglichkeit gibt, die Bäume auszuschalten?

Einige umarmen leuchtende Pflanzen wegen ihres symbolischen Wertes. Bäume werden mit Wissen assoziiert, sei es im biblischen oder Newtonschen Sinne, ebenso wie verschiedene Lichtquellen (Glühbirnen, Laternen und Fackeln kommen einem in den Sinn). Aber Symbole schneiden in beide Richtungen, und ein leuchtender Baum, der nicht funktioniert – oder schlimmer noch, Schaden anrichtet – ist ein weiterer Pfeil im Köcher derer, die zumindest einen Teil der Wissenschaft als leichtsinnig ansehen und die Risiken, die die Forschung manchmal darstellt, nicht wert sind.

So oder so, die Ausdrücke „Do-it-yourself-Biolabor“ und „Versandversand-DNA-Gießerei“ bringen mich ins Grübeln.

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