Восьмая формула света
Российские ученые разгадали тайну свечения сибирских червей
Ученые из ИБХ РАН (Москва) и ИБФ СО РАН (Красноярск) впервые за последние 25 лет расшифровали структуру нового люциферина – ключевого компонента новой АТФ-зависимой биолюминесцентной системы. Это теперь уже восьмой известный науке люциферин. Открытие «восьмой формулы света», а также начавшееся исследование люциферазы червя Fridericia heliota и особенностей функционирования ее биолюминесцентной системы приближают ученых к пониманию механизмов эффективного преобразования энергии химических связей в кванты света.
Уникальность новой биолюминесцентной системы и участие в реакции универсальной энергетической единицы жизни – АТФ – делает это открытие перспективным для широкого спектра аналитических применений. Путь к расшифровке «восьмой формулы света» был сложным и нетривиальным. Результаты исследований опубликованы в престижном научном журнале – Angewandte Chemie (Petushkov et al., A Novel Type of Luciferin from the Siberian Luminous Earthworm Fridericia heliota: Structure Elucidation by Spectral Studies and Total Synthesis). Подробный научно-популярный отчет о работе опубликован на сайте ИБХ.
Биолюминесценция – явление излучения света живыми организмами. Светятся, например, жуки (светлячки), бактерии, кораллы, медузы, моллюски, черви, грибы, рыбы и другие организмы. Образование квантов света происходит благодаря химической реакции окисления небольшой органической молекулы – люциферина – под действием окислителя (кислород воздуха) и особого фермента – люциферазы. До настоящей работы были известны структуры только семи природных люциферинов, последняя из которых была расшифрована более четверти века назад.
Явление биолюминесценции получило широкое практическое применение. Экологи используют его для мониторинга окружающей среды, в медицине и фармацевтике биолюминесценцию применяют для проведения клинических анализов и в тест-системах для поиска лекарств. В биохимических исследованиях биолюминесценция применяется для визуализации физиологических процессов, происходящих в клетках и целых организмах, а также для определения различных аналитов, в первую очередь – АТФ. В генно-инженерных исследованиях самый надежный метод «увидеть» работу белка – «пришить» к нему люциферазу и добавить к клеткам люциферин.
В 1990 году участники коллектива Валентин Петушков и Наталья Родионова обнаружили в тайге в окрестностях Красноярска новый вид светящихся червей, который получил зоологическое название Fridericia heliota. Это небольшие почвенные черви (масса тела не превышает 2 мг), которые в ответ на механическое раздражение излучают голубовато-зеленый свет.
В 2000 годах этой же группой были проведены первые исследования свойств новой биолюминесцентной системы: выделены ее компоненты – люциферин и люцифераза. Для получения необходимого количества биоматериала потребовалось вручную выбрать из почвы и обработать несколько сотен тысяч червей!
В 2011 году работа получила поддержку мегагранта Правительства РФ. Проект возглавил выдающийся ученый, многие годы изучавший явление биолюминесценции, – нобелевский лауреат Осаму Шимомура. На этом этапе к работе подключился коллектив сотрудников Института биоорганической химии РАН из Москвы – Группа синтеза природных соединений под руководством И.Ямпольского, а также сотрудники Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии М.Дубинный и К.Надеждин.
В 2013 году совместными усилиями специалистов по органическому синтезу и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) была установлена структура нового люциферина, с использованием рекордно малого количества вещества (всего 5 микрограмм – именно столько удалось выделить из биомассы червей, собранной за несколько лет). Оказалось, что люциферин представляет собой пептид, состоящий из остатков аминокислоты лизина, необычного производного аминокислоты тирозина, а также щавелевой и гамма-аминомасляной кислот. Предложенная структура была подтверждена полным синтезом: синтетический люциферин оказался полностью идентичен выделенному из червей.
Свечение Fridericia heliota и строение нового люциферина.
Открытый люциферин Friericia heliota имеет шансы занять свою нишу в области прикладной биолюминесценции: он прост в химическом синтезе, исключительно стабилен (сохраняет свою активность в течение месяцев в растворе), а также, в отличие от люциферина бактерий, не токсичен.
«Впервые российские ученые совершили открытие в мировой биолюминесценции – области, где на протяжении последних 25 лет наблюдалось затишье в выявлении новых направлений исследования. Прорыв удалось осуществить благодаря грантовой поддержке, обеспечившей не только финансирование работы, но и кооперацию ученых разных специальностей в единый временный коллектив. Расшифровка структуры нового люциферина – отличный результат нашей группы. Но это не конец исследования, а лишь начало огромной напряженной работы, теперь уже в условиях конкуренции», – комментирует руководитель проекта Илья Ямпольский.
Основное направление дальнейших исследований коллектива – установление аминокислотной последовательности и рекомбинантная продукция новой люциферазы F.heliota, – фермента, который катализирует реакцию биолюминесценции. Также планируется установить путь биосинтеза люциферина, выделить все ответственные за это ферменты и кодирующие их гены. В отдаленной перспективе это позволит перенести биолюминесценцию из червей в другой эукариотический организм.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
23.04.2014