Разгадана тайна свечения сибирских червей

Расшифрована структура нового люциферина, компонента биолюминесцентной системы светящихся червей, обитающих в тайге в окрестностях Красноярска. Это уже восьмой известный науке люциферин. Его структуру сумели расшифровать исследователи из Института биоорганической химии РАН (Москва) и Института биофизики Сибирского отделения РАН (Красноярск).  Открытие «восьмой формулы света», а также начавшееся исследование люциферазы червя Fridericia heliota и особенностей функционирования новой биолюминесцентной системы приближают ученых к пониманию механизмов эффективного преобразования энергии химических связей в кванты света. Путь к расшифровке «восьмой формулы света» был сложным и нетривиальным. Результаты исследований опубликованы в престижном научном журнале Angewandte Chemie.

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 сотрудники Института биофизики СО РАН   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 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 Ильи Ямпольского, а также сотрудники Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии Максим Дубинный и Кирилл 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 необычный пептид, «собранный» 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.

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.