Mnísi kedysi dúfali, že alchýmiou premenia olovo na zlato. Namiesto toho však zvážte karfiol. Potrebné sú len dva gény, aby sa z bežných stoniek, stoniek a kvetov nevkusného druhu Brassica oleracea zmenilo nádherné zloženie, ako je táto oblakovitá fraktálna zelenina.

Toto je skutočná alchýmia, hovorí Christophe Godin, vedúci pracovník Národného ústavu pre výskum digitálnych vied a technológií vo francúzskom Lyone.

Dr. Godin študuje architektúru rastlín hypotetickým modelovaním vývoja tvarov rôznych druhov v troch dimenziách. Zaujímalo ho, aká genetická modifikácia je za vnorenými špirálami brokolice a logaritmickými sférickými fraktálmi z Romanesca, kultivaru karfiolu, ktorý si možno takmer mýliť s kryštálom.

„Ako je príroda schopná postaviť také neočakávané veci?“ Spýtal sa. Čo by za tým mohlo byť?

Pred pätnástimi rokmi sa Dr. Godin stretol s Françoisom Barsi, rastlinným biológom v Národnom centre pre vedecký výskum vo francúzskom Grenobli. V Dr. Parsi poznal doktor Godin zlého kolegu z Fraktálových kvetov.

„Neexistuje spôsob, ako by ste si nemohli všimnúť, že je to skvelá zelenina,“ povedal doktor Barsi v súvislosti s Romanescom.

Vďaka vášni Brassica Dr. Godin a Dr. Parsi skúmali genetické tajomstvo fraktálnej geometrie v románskom aj štandardnom karfiole, evokovali rastliny v matematických modeloch a tiež ich pestovali v reálnom živote. Ich objavy, ktoré naznačujú vznik fraktálov v reakcii na posuny v génových sieťach, ktoré riadia rast kvetín, boli zverejnené vo štvrtok Veda.

„Je to fascinujúce zlúčenie genetiky na jednej strane a dôsledného modelovania na strane druhej,“ uviedol Michael Boruganan, biológ z Newyorskej univerzity, ktorý sa výskumu nezúčastnil. „Snažia sa ukázať, že vylepšením pravidiel interakcie génov môžete v rastline dosiahnuť drastické zmeny.“

Na začiatku roku 2000 si doktor Parsi myslel, že brokolici rozumie. Učil dokonca hodiny kvetinovej evolúcie. „Čo je to karfiol? Ako môže rásť? Prečo to tak vyzerá?“ Povedal.

Karfiol, podobne ako ružičkový kel, má stonky zo strukov výberové vzdelávanie Z Brassica oleracea. Ľudia chovali ružičkový kel pre bočné púčiky a brokolicu pre kvetinové strapce. Karfiol však neprodukuje kvetné puky; Kvetenstvo alebo puky kvetov nikdy nedozrievajú na produkciu kvetov. Namiesto toho florety karfiolu vytvárajú špirálovité repliky samých seba a vytvárajú zhluky tvarohu ako vegánsky syr.

Keď obaja vedci diskutovali o karfiole, doktor Godin navrhol, že ak doktor Parsi rastline skutočne porozumie, malo by byť ľahké modelovať morfologický vývoj zeleniny. Ako sa ukázalo, nebolo to tak.

Tí dvaja sa najskôr stretli so zrazeným močiarom na doske a vymýšľali rôzne genetické siete, ktoré by mohli vysvetliť, ako rastlina zmutovala do súčasnej podoby. Inšpiráciou im bola Arabidopsis thaliana, dobre študovaná bylina z tej istej čeľade ako karfiol a mnoho bratrancov.

Ak má karfiol v spodnej časti rastliny jeden karfiol, potom má Arabidopsis pozdĺž dlhej stonky veľa štruktúr podobných karfiolu. Aké gény by však mohli tento štíhlejší karfiol zušľachtiť na jeden veľký, kompaktný karfiol? A ak identifikujú tieto gény, môžu tento karfiol rozmazať do vrchov tvorených Romaneskom?

Aby odpovedali na tieto otázky, vedci vylepšili génovú sieť a zapli ju prostredníctvom matematických modelov, pričom ju vytvorili v 3D a mutovali v reálnom živote. „Predstavujete si niečo, ale kým to nenaprogramujete, neviete, ako to bude vyzerať,“ povedal doktor Parsi.

(V priebehu výskumu Dr. Barsi tiež zhromaždil niekoľko vzoriek Romanesca z miestneho trhu s farmármi, zoradil ich a rozrezal. Spolu s kolegami potom zjedli zvyšky, často surové s rôznymi omáčkami, spolu s pohármi piva.)

Zlyhal som niekoľko prototypov a nevyzerá to veľmi ako karfiol. Najskôr si vedci mysleli, že kľúč od karfiolu spočíva v dĺžke stonky. Ale keď programovali rastliny Arabidopsis s krátkou stonkou a bez nej, uvedomili si, že nie je potrebné zmenšiť veľkosť stonky karfiolu, a to ani v 3D modeloch, ani v skutočnom živote.

A brokolica, ktorú simulovali a pestovali, jednoducho nebola dosť fraktálna. Vzory boli viditeľné iba na dvoch fraktálnych mierkach, ako špirála vnorená do iného víru. Naproti tomu bežný karfiol často vykazuje sebapodobnosť najmenej na siedmich fraktálnych stupniciach, z čoho vyplýva špirála uviaznutá v skrutkovici vnorená do víru vnoreného do víru vnoreného do zasahujúceho víru na konci druhej.

Namiesto zamerania na kmeň sa teda zamerali na meristém, oblasť rastlinného tkaniva na konci každého kmeňa, kde aktívne sa deliace bunky vytvárajú nový rast. Predpokladali, že zväčšenie meristému zvýši počet produkovaných púčikov.

Jediným problémom bolo, že vedci nevedeli, ktorý gén môže riadiť frekvenciu produkcie meristému.

Jedného dňa si Eugenio Azpetia, potom postdoktorand v laboratóriu Dr. Godina, spomenul na gén, o ktorom je známe, že mení veľkosť centrálnej oblasti meristému. Traja vedci si užili krátku chvíľu eufórie, potom trpezlivo čakali mesiace, kým vyrástla novo upravená Arabidopsis. Keď púčiky pučali, mali karfiol s výraznými kužeľovitými hlavicami.

„Veľmi nám to pripomína, čo sa deje v Romanesco,“ povedal hrdo doktor Godin.

Za normálnych okolností, keď rastlina vyklíči kvet, kvetinová špica rastliny zabráni ďalšiemu rastu zo stonky. Tvaroh karfiolu je púčik, ktorý je navrhnutý tak, aby sa z neho stala kvetina, ktorá sa tam však nikdy nedostane, namiesto toho ho vyhodí. Ale experimenty vedcov s meristémom zistili, že pretože tento výhonok prešiel prechodnou fázou kvitnutia, je vystavený génu, ktorý vedie k jeho rastu. „Pretože ste boli kvetinou, môžete slobodne rásť a môžete strieľať,“ povedal doktor Parsi.

Tento proces vytvára reťazovú reakciu, pri ktorej meristém produkuje veľa klíčkov, ktoré zase vytvárajú veľa púčikov a aktivujú fraktálnu geometriu karfiolu.

Nie je to normálny peň, “povedal doktor Goodin. „Je to noha bez listu. Noha bez mysle.“

„Toto je jediný spôsob, ako vyrobiť karfiol,“ povedal doktor Parsi.

Vedci tvrdia, že za úžasný tvar Romanesca sú pravdepodobne ďalšie mutácie. Ning Gu, výskumný pracovník z pekinského výskumného centra pre zeleninu, ktorý tiež študuje možný genetický mechanizmus, ktorý stojí za štruktúrou tvarohu karfiolu, tvrdí, že príspevok poskytol „veľa inšpirácie“.

„Príbeh sa ešte neskončil,“ uviedol Dr. Godin a dodal, že spolu s Dr. Parsi budú naďalej vylepšovať svoje modely karfiolu. „Ale vieme, že sme na dobrej ceste.“

Ale oni hovoria, že sú otvorení študovať čokoľvek od kvetov.