Wstęp

W poprzednich artykułach z cyklu przedstawiono zarówno mechanikę bioluminescencji jak i przykłady organizmów żywych, które z racji swoich niezwykłych właściwości mogłyby pomóc człowiekowi opanować konsumpcję energii elektrycznej na cele oświetleniowe. Wykazano, że Organizm Idealny – taki który bez żadnych modyfikacji nadawałby się do tego celu – niestety nie występuje w przyrodzie i konieczne jest zmodyfikowanie go czasami na wielu płaszczyznach.

Opisano metody modyfikacji genetycznej jak i modyfikacji z użyciem nanotechnologii. Właśnie ten drugi sposób zmiany organizmów żywych jest najbardziej interesujący. Jest  mniej kosztowny niż metody genowe lecz nadal wymaga wielu lat pracy i optymalizacji jeśli miałby znaleźć zastosowanie komercyjne. Nadal brak jest niestety badań długofalowych obrazujących działanie tego typu układów – czyli jak nanocząstki zachowują się w organizmach roślin i przez jak długi czas luminofor w nich zawarty jest efektywny.

W związku z licznymi niedoskonałościami opracowanych obecnie rozwiązań w tej pracy niezbędne stało się wyjście w dalekie jeszcze nie do końca zbadane obszary nauki z pogranicza fantastyki naukowej. Przytoczone zostaną przykłady już obecnych produktów komercyjnych opartych na zjawisku luminescencji, których to Twórcy również pragną uniezależnić się od elektryczności używanej do oświetlania miast. Zaproponowane zostaną także daleko idące w przyszłość rozwiązania będących ich ulepszeniem tak aby stały się jeszcze bardziej efektywne.

1.   Projekty i propozycje ich udoskonaleń

Przedstawione projekty na różnym stopniu zaawansowania zostaną sklasyfikowane wg kryteriów w skali od jednego do trzech. Przykładowo w przypadku kryterium finansowego stopień 1 oznaczać będzie niskie nakłady finansowe; stopień 2 średnie nakłady; natomiast stopień 3 wysokie koszty badań lub rozwinięcia danego rozwiązania. Kryteria jakie wzięto pod uwagę:

• Kryterium Finansowe – im wyższa wartość tym droższe rozwiązanie.
• Kryterium Dostępności oceniające możliwość szerokiego zastosowania rozwiązania im wyższa wartość tym większe możliwości aplikacyjne rozwiązania.
• Kryterium Założonego Celu, które oceni jak bardzo dane rozwiązanie zbliża się do Rozwiązania Idealnego. Im wyższa wartość tym bliżej Celu znajduje się projekt.

Kryterium Finansowe	Kryterium Dostępności	Kryterium Założonego Celu
Niskie	Wysokie	Wysokie

Przedstawiona powyżej modelowa tabela z oceną projektu nastawiona jest na jak najniższe koszty, jak najwyższą dostępność rozwiązania oraz bardzo dobre wpisanie się w zakładany cel Biologicznego Światła. Jako założony cel czyli Rozwiązanie Idealne uważa się technologię tanią, bezobsługową, bezpieczną zarówno dla człowieka jak i dla środowiska oraz taką, która umożliwiałoby oświetlenie ulic miasta bez korzystania z elektryczności. Wskazane jest także aby była estetyczna i posiadała wysokie walory krajobrazowe lub w inny sposób przyczyniała się do poprawienia jakości życia w mieście.  

1.1 Projekty rozwojowe posiadające gotowe produkty

a)     Glowing Plants: Natural Lighting with no Electricity

Projekt ten bazuje na zmianie kodu genetycznego pospolitej praktycznie na całym świecie modelowej rośliny czyli rzodkiewnika pospolitego Arabidopsis thaliana. Zespół pod przewodnictwem Antony’ego Evansa dyrektora generalnego firmy biotechnologicznej z USA Taxa Biotechnologies w 2013 roku postanowił stworzyć bioluminescencyjną roślinę domową. Miała być ona dostępna dla każdego kto wsparłby ich projekt na platformie crowdfundingowej Kikstarter. Utworzono zrzutkę i w oszałamiająco szybkim tempie zebrano niemal pół miliona dolarów.

Plan zespołu bazował na przełomowej technologii projektowania DNA za
pomocą oprogramowania komputerowego (tak zwanego „kompilatora genów” - dostępnego
nieodpłatnie dla instytucji badawczych). Za jego pomocą zaprojektowano nowy fragment DNA
rośliny zawierający geny luminescencyjne kodujące lucyferynę (występujący naturalnie
pigment, który w wyniku reakcji redoks katalizowanej enzymami emituje światło o czym pisano we wcześniejszych artykułach). Tak spreparowaną informację genetyczną przekazano komercyjnie działającej w Stanach Zjednoczonych firmie zajmującej się drukowaniem DNA – Cambrian Genomics. Po uzyskaniu gotowego DNA w postaci roztworu za pomocą zmodyfikowanej bakterii Agrobacterium tumefaciens wprowadzano je do uszkodzonych okazów rzodkiewnika w okresie tuż przed kwitnieniem, dzięki czemu obce DNA było produkowane w nowopowstałych nasionach. [1] Wyniki tej modyfikacji w postaci nasion transgenicznej rośliny miały być dostępne dla osób prywatnych, które wsparły projekt ale...

Oficjalnie po kilku miesiącach badań zespół ogłosił porażkę ze względów czysto technicznych – aby luminescencja była odpowiednio silna uznano, że należy w niej umieścić aż 6 dodatkowych genów co daje łącznie około 20 000 par zasad i okazało się to niewykonalne w tamtym czasie. Zdecydowano o zmianie produktu końcowego na pachnący mech GMO w  trzech odmianach zapachowych: paczula, linalol i geraniol. Po tej zmianie celu projektu na znacznie prostszy organizm jakim jest mech udało się osiągnąć zamierzony cel. Pachnący mech był dostępny w cenie 79$ [2]

Nie jest jednak do końca wiadome czy fiasko projektu mimo zapewnień twórców nie było podyktowane głośną krytyką w mediach próbującą zablokować projekt. Organizacje takie jak ETC Group oraz Friends of The Earth przede wszystkim pod kątem troski o środowisko naturalne oraz względy etyczne sporządziły list intencyjny z prośbą aby zrezygnowano z tego pomysłu. [3] Dodatkowo właściciele serwisu Kikstarter zaraz po zakończonej zbiórce zmienili regulamin platformy zakazując na przyszłość finansowania produkcji roślin transgenicznych aby nie stworzyć precedensu.

	Kryterium Finansowe	Kryterium Dostępności	Kryterium Założonego Celu
	Wysokie	Średnie	Średnie
Preferowany stopień	Niskie	Wysokie	Wysokie

            Pomimo tego, że oryginalny cel projektu nie został osiągnięty zespół poczynił bardzo duże postępy w technologii transgenicznej i bardzo możliwe jest, że w przypadku kontynuowania badań znaleziono by odpowiednią metodę aby uzyskać świecącą roślinę o wymaganych właściwościach. Sama technologia jest nadal droga przynajmniej na starcie gdzie niezbędne jest przygotowanie DNA stąd wysokie koszty. Rozwiązanie posiada średnią dostępność z powodu uwarunkowań środowiskowych, które różnią się w zależności od położenia geograficznego i mogą ale nie muszą być optymalne dla wzrostu stworzonej przez zespół świecącej rośliny GMO – stąd cena średnia. Tak samo jest w przypadku Założonego Celu, który jest warunkowany możliwościami przetrwania tej rośliny w danym miejscu. W ogólnym rozrachunku jest to trudne do zrealizowania przedsięwzięcie mające jednak bardzo duży potencjał.

Na uwagę zwraca fakt próby blokady projektu przez różnego rodzaju organizacje oraz samą platformę Kikstarter – dowodzi to, że przełomowe wynalazki mogą być blokowane z nie do końca właściwych powodów przez opinię publiczną lub z innych ukrytych pobudek. Jak podkreśla pomysłodawca projektu w wywiadach dodatkowym celem całego przedsięwzięcia było pokazanie opinii publicznej, że produkcja roślin GMO nie jest czymś z pogranicza fantastyki i jest możliwa dla każdego – nie tylko dla wielkich firm posiadających duże zasoby finansowe. Popularyzowano w ten sposób ideę tak zwaną DIY biology gdzie osoby prywatne mogą samodzielnie prowadzić zaawansowane badania przy użyciu tych samych metod co duże ośrodki badawcze. Jeden ze współpracowników Evansa, Kyle Taylor aktywnie wspiera tego typu akcje i popularyzuje dostępność nowoczesnych technologii dla zwykłych obywateli w postaci „zestawów” do różnego typu doświadczeń w tym tworzenia świecących w ciemności roślin. [4]    

b)    Nyoka Light Wand

Nyoka to kanadyjski start-up, który zdobył finansowanie na platformie Kikstarter i był nagradzany w różnego typu konkursach grantowych i programach akceleracyjnych. Twórcy skonstruowali ekologiczne, biodegradowalne światło chemiczne zwane także świetlikiem (ang. glow stick).

Celem projektu było uwolnienie Ziemi od zanieczyszczeń jakie popularne (chemiczne) świetliki powodują każdego roku. Wedle danych publikowanych na stronie start-upu jest to ponad 2,7 miliarda zużytych świateł chemicznych zawierających niebezpieczne dla zdrowia i życia odczynniki zamknięte w jednorazowej, plastikowej obudowie. Przekonują oni, że mimo reklamowania tego typu źródeł światła jako całkowicie bezpiecznych to po wypaleniu się, już po 24 godzinach, tworzą się wtórne związki o charakterze mutagennym niebezpieczne w bardzo niskim stężeniu 1/10 000. Sam zaś plastik z ich opakowania zaśmieca dodatkowo środowisko. Nie ma także dedykowanej, efektywnej metody utylizacji tego typu chemicznych odpadów złożonych. [5]

Firma Nyoka (w języku suahili oznacza to węża – symbol leczenia/odrodzenia) proponuje własną alternatywę dla stosowanych masowo świateł chemicznych i opiera się na działaniu bioluminescencji o silniejszym blasku niż chemiczna luminescencja. Z uwagi zapewne na tajemnicę firmy nie jest omówione w dokładny sposób jakich metod używają ani jaki konkretnie związek ekstrahują z organizmów bioluminescencyjnych (prawdopodobnie są to bakterie, a związkiem tym jest białkowa substancja o właściwościach luminescencyjnych). Tego związku wraz z nadtlenkiem wodoru i innymi substratami następnie używają jako paliwa. [6] W momencie gdy światło ma być generowane dodawane jest medium reakcji czyli woda. Wówczas możliwy jest przebieg reakcji redoks, której widocznym efektem jest jasne, niebieskawe światło. Firma pracuje nad zmianą koloru generowanego światła aby w pełni możliwe było zastąpienie tradycyjnych świateł chemicznych. [7]

            Ten typ luminescencji opiera się na organizmach żywych. Głównym jego problemem jest rachunek zapotrzebowania – popytu – w stosunku do populacji gatunku. Jeśli zapotrzebowanie na ten produkt byłoby bardzo wysokie mogłoby to doprowadzić do wyginięcia używanego jako surowca zwierzęcia. Możliwe jest jednak wyhodowanie specjalnej bakterii – stworzenie organizmu GMO – jak ma to miejsce w przypadku masowej produkcji insuliny. Przekształcona bakteria produkowałaby niezbędne białko luminescencyjne, następnie zachodziłby proces ekstrakcji co wykluczyłoby zgubny wpływ na liczebność danego zwierzęcia w przyrodzie. W wywiadzie jedna z pomysłodawczyń projektu Nyoka, Paige Whitehead opisała, że bioluminescencyjne białko pozyskiwane jest z organizmów żywych – nie nadmieniła jednak czy jest to bakteria zmodyfikowana genetycznie, zwykła bakteria z naturalną zdolnością luminescencji czy też zwierzę występujące dziko w oceanach.

            Całe przedsięwzięcie uzyskało więc subiektywną ocenę jako przedział od 3 do 5 w 9 stopniowej skali. Jest to więc projekt, który nie zastąpi w pełni elektrycznych źródeł światła w przestrzeni miejskiej. Kryterium finansowe nie jest możliwe do sprecyzowania z powodu małej ilości informacji jakich metod używa się do pozyskania substancji luminescencyjnej. Projekt może być natomiast zastosowany w wielu miejscach możliwe jest jego rozszerzenie (stosując więcej substratów uzyska się oczywiście większą ilość światła) stąd wysoka ocena tego parametru. Niestety rozwiązanie nie jest bezobsługowe i wymaga stałej kontroli i dostarczania substratów, które się zużywają nie jest więc blisko założonego celu.  

	Kryterium Finansowe	Kryterium Dostępności	Kryterium Założonego Celu
	Niskie/Średnie/Wysokie	Wysokie	Niskie
Preferowany stopień	Niskie	Wysokie	Wysokie

c)     Start-up Glowee

Zespół francuskich naukowców w projekcie Glowee opracował ciekawe rozwiązanie bazujące na bioluminescencji bakterii. Na oficjalnej stronie start-upu opisano proces hodowli genetycznie modyfikowanych luminescencyjnych bakterii umieszczanych następnie w dowolnych pojemnikach. Pojemniki te zawierają przezroczysty żel z substancjami odżywczymi. Bakerie świecą tak długo jak mogą się rozwijać i pobierać pożywkę, kiedy jej zabraknie umierają i świecenie ustaje. [8,9]

W artykule Petera Yeunga z BBC przedstawiono nieco inne rozwiązanie tego start-upu, który miałby wykorzystywać żyjące w symbiozie ze zwierzętami takimi jak kałamarnice bakterie z rodziny Vibrio fischeri (bakterie gram ujemne w kształcie pałeczek). Bakterie te w zamian za składniki odżywcze pobierane od żywiciela udostępniają swoje właściwości generowania światła. Glowee stworzyło więc aparat w kształcie szklanego cylindra, w którym w pożywce żyją zebrane wcześniej bakterie Vibrio fischeri przepływ powietrza przez roztwór wymusza luminescencję – można więc w całości sterować całym procesem. [10]

	Kryterium Finansowe	Kryterium Dostępności	Kryterium Założonego Celu
	Niskie/Średnie/Wysokie	Wysokie	Średnie
Preferowany stopień	Niskie	Wysokie	Wysokie

            Niestety ze względu na niewystarczającą ilość materiałów z opisem użytej technologii nie jest możliwe określenie w pełni kryterium finansowego, zależnie czy firma biotechnologicznie zmieniła kod genetyczny bakterii umożliwiając im bioluminescencję (wysokie koszty) czy jednak pracowała na zebranych ze środowiska naturalnego bakteriach (koszty niskie). Rozwiązanie natomiast ma dużą dostępność z powodu swej prostoty – wymagane jest jedynie utrzymanie bakterii przy życiu za pomocą pożywki i dostarczenie im tlenu co umożliwia sterowanie procesem.

1.2 Publikacje w fazie testów

a)     Prace zespołu Massachusetts Institute of Technology

Wieloosobowy zespół profesora Michaela Strano ma w swoim dorobku wiele innowacyjnych rozwiązań z dziedziny biotechnologii i nanotechnologii. W kontekście Biologicznego Światła istotne są dwie z nich.

W pierwszej z nich badacze wszczepili nanocząsteczki zawierające substraty niezbędne do zajścia chemiluminescencyjnej reakcji do wnętrza rośliny i z powodzeniem uzyskali świecący organizm żywy. Nanocząsteczki krzemu były nośnikiem enzymu lucyferazy, cząsteczki kopolimeru glikolu i polikwasu mlekowego (PLGA) zawierały molekuły lucyferyny. Niezbędny w procesie koenzym A zaadsorbowany został na powierzchni modyfikowanego chitozanu. [11]

            Jako że rośliny świeciły tylko do momentu wyczerpania się substratów zawartych w nanocząstkach zespół opracował inne rozwiązanie, polegające na otoczeniu najbardziej wydajnego obecnie luminoforu jakim jest glinian strontu domieszkowany europem i dysprozem
(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) warstwą krzemionki. Wszystko po to aby tak przygotowany luminofor w postaci nano wprowadzony do wnętrza roślin i nie zaszkodził ich procesom metabolicznym.

            Po wprowadzeniu nanocząsteczek luminoforu do wnętrza rośliny uzyskano 10 krotnie silniejszą fosforescencję niż w przypadku poprzedniej próby z enzymami i lucyferyną. Pojedyncze naświetlenie przez 10 sekund powodowało jasną fosforescencję przez kilka minut co stanowi bardzo dobry wynik. [12]

	Kryterium Finansowe	Kryterium Dostępności	Kryterium Założonego Celu
	Średnie	Średnie	Średnie
Preferowany stopień	Niskie	Wysokie	Wysokie

            Prace zespołu naukowców z MIT są najbliżej spełnienia celu Biologicznego Światła, trwają dalsze prace nad udoskonaleniem tej technologii zwanej przez autorów „nanobioniką”. Największym problemem w tym przedsięwzięciu jest brak taniego i ultra-wydajnego luminoforu fosforyzującego długotrwale, który bardzo przydałby się do dalszego udoskonalania tego pomysłu. Bardzo ważne więc jest kontynuowanie badań nad odkryciem nowych, lepszych luminoforów.

2.   Przyszłość

Należy zastanowić się jaką drogą ludzkość chciałaby poradzić sobie z problemem oświetlenia i jak sprawić aby nie było to problemem w dłuższej perspektywie czasowej. Istnieją więc dwie drogi – koncepcja organiczna bazująca na roślinach modyfikowanych za pomocą GMO lub nanocząstek. Drugą jest koncepcja nieorganiczna, która opiera się na luminoforach fosforyzujących długotrwale. Poniższy schemat nr 1 przedstawia opisany podział.

Na dzień dzisiejszy GMO jest owiane złą sławą i nie wykorzystuje się wszystkich zalet tej dziedziny nauki. Dużą przeszkodą są tutaj zdania etyków i obawy dotyczące możliwego zachwiania równowagi ekosystemu po wprowadzeniu niedostatecznie przebadanych genetycznie zmodyfikowanych roślin do środowiska naturalnego. W kontekście modyfikacji genetycznych warto byłoby pochylić się nad zwiększeniem możliwości przenikania światła czy to generowanego przez samą roślinę czy też uzyskanego za pomocą luminoforów. Drzewa z racji nieprzejrzystej kory mogłyby emitować światło jedynie przez liście lub inne półprzezroczyste organy. Jeśli jednak udałoby się zmodyfikować roślinę uzyskując efekt całkowitej transparentności tkanek ułatwiłoby to emisję światła w znacznym stopniu. Warto więc poznać niecodzienne właściwości niektórych roślin, które wykazują wspomniane cechy. Przykładem niech będzie parasolnik Diphylleia grayi, którego płatki stają się przezroczyste pod wpływem deszczu. Innym przykładem może być Haworthia obtusa pilifera – sukulent z półprzezroczystymi liśćmi. Zmapowanie genów powodujących to zjawisko mogłoby pomóc w stworzeniu idealnej rośliny na cele oświetleniowe.

Nanotechnologia natomiast rozwija się w bardzo szybkim tempie i naukowcy dochodzą w swych badaniach do całkowicie nieoczekiwanych i zaskakujących wniosków. Świat w nanoskali bowiem rządzi się swoimi dopiero poznawanymi przez człowieka zasadami i niestety nadal wymaga wielu lat badań co zostało szerzej omówione w poprzednim artykule, a w tym poddano je subiektywnej ocenie. Tutaj również niezbędne jest prowadzenie badań długofalowych aby poznać w jaki sposób nanocząsteczki różnych związków zachowują się w środowisku naturalnym. Firmy farmaceutyczne i kosmetyczne gdzie najczęściej stosuje się nanocząsteczki (np. nanosrebro posiadające właściwości przeciwbakteryjne) dopuściły swoje produkty do stosowania na szeroką skalę jednak nadal ten temat nie jest dobrze poznany od strony naukowej. Możliwe że dopiero za wiele lat badania wykażą faktyczny wpływ nanocząstek na zdrowie człowieka.

Niezbędne jest także prowadzenie poszukiwań nowych, lepszych materiałów magazynujących energię świetlną – czyli luminoforów fosforyzujących długotrwale – aby jednocześnie skrócić czas naświetlania i wydłużyć czas emisji. W tym obszarze również niezbędne są wzmożone badania, pozyskanie związku o takich właściwościach byłoby prawdziwą rewolucją. Wówczas dopiero organizmy żywe oparte na wprowadzaniu do ich wnętrza nowej klasy tego typu nano-luminoforów mogłyby stać się powszechniejsze.

Z drugiej strony wszczepianie luminoforów do wnętrza roślin może okazać się niepotrzebne. Dość dobry luminofor mógłby samodzielnie jako pigment zastąpić oświetlenie uliczne. Pobierałby energię w ciągu dnia i oddawał ją w postaci światła w nocy. Takie „nieorganiczne” podejście miałoby też inną zaletę, mianowicie nie byłoby zależne od istot żywych mogących obumrzeć. Różne obiekty infrastruktury miasta takie jak budynki mogłyby same w sobie stać się źródłami światła jeśli zostałyby pokryte warstwą takiego wydajnego luminoforu. Niestety obecnie najbardziej efektywny, szeroko dostępny i tani w produkcji luminofor – modyfikowany glinian strontu – zbyt szybko oddaje zgromadzoną energię i emisja światła ustaje. Samo zaś światło jest zbyt słabe aby stanowić jedyne jego źródło. Niestety rozwiązanie nieorganiczne ma także swoje wady. Nie byłoby możliwe zwiększenie ilości zieleni obecnej w miastach a tym samym poprawa jakości powietrza oraz zdrowia psychicznego mieszkańców. Jeśli zaś w rozwiązaniu biologicznym w kodzie genetycznym roślin zmieniono by także dodatkowe geny można uzyskać kolejne pożądane cechy. Przykładowo wychwytywanie zanieczyszczeń gazowych z powietrza – tlenków azotu i siarki powstających w wyniku spalania paliw kopalnych. Nigdy też nie mógłby powstać w mieście przyszłości krajobraz iście z filmu Jamesa Camerona pt. Avatar, a widok ten stał się niemałą inspiracją dla wielu naukowców i artystów.