Секрет светящихся червей из сибирской тайги

На протяжении многих лет российские ученые изучают химическую природу биолюминесценции земляных червей, обнаруженных на территории Сибири. «Наука в Сибири» подробнее узнала о том, почему черви светятся, как выглядят и где их можно найти.

Для теплых морей, океанов и тропических лесов светящиеся организмы — явление абсолютно привычное: живые фонарики обитают в воздухе и в воде, бегают по земле и растут на деревьях. Однако, как оказалось, встретить подобное можно и в лесах Сибири, где светятся ранее не известные науке черви из рода Фридериция (вид Fridericia heliota) и рода Хенлея (два родственных вида, которым дали фамилии открывших их красноярских исследователей из лаборатории фотобиологии ИБФ СО РАН: кандидатов биологических наук Валентина Николаевича Петушкова и Натальи Сергеевны Родионовой — Henlea petushkovi и Henlea rodionovae).

Биолюминесценцией называют излучение света живыми организмами, которое происходит благодаря химической реакции окисления небольшой органической молекулы — люциферина. Реакцию катализирует особый фермент — люцифераза. Иногда в реакции участвуют дополнительные субстраты, например флавинмононуклеотид (ФМН) или аденозинтрифосфат (АТФ). «Когда мы начали работать с червями, в мире были известны структуры только семи природных люциферинов, последняя из них была расшифрована более четверти века назад. Что касается земляных червей, то считалось, что их биолюминесценция происходит по единому механизму», — говорит Наталья Родионова.

Светящиеся черви днем и в темноте

Обычно светятся тропические и субтропические черви — мегасколециды и люмбрициды, размером от 10 до 60 см. В ответ на раздражение они выделяют слизь, где сосредоточены специальные клетки с биолюминесцентными реагентами. Клетки лопаются, и слизь начинает светиться. Люциферин у этих червей одинаковый, это простой альдегид, в окислении которого участвует перекись водорода. А вот люциферазы индивидуальны, они определяют цвет биолюминесценции: голубой, зеленый или желтый. Эталонным образцом такой биолюминесценции является Diplocardia longa — крупный червь, обитающий в песчаных почвах на юге Джорджии (США). 

Сибирские черви намного меньше размером: 2—5 см и 2—10 мг весом. Впервые их нашли в тайге, случайно увидев ночью голубые звездочки под ногами. Оказалось, что светятся какие-то неизвестные олигохеты из семейства энхитреид. Сначала удалось определить родовые имена червей, а описание их как новых видов было сделано лишь через несколько лет. В лесной почве преобладали фридериции, хенлей было лишь около 1%. 

Ночами в тайге исследователи по свечению в земле искали места обитания фридериций, отмечали их, днем на помеченных местах набирали образцы почвы. Чтобы выделить компоненты биолюминесцентной системы, необходим достаточно большой объем биомассы. По словам Натальи Родионовой, в 2000-х годах вручную собрали несколько сотен тысяч светящихся земляных червей. В лаборатории ученые разделяли их по видам, промывали и замораживали, накапливая для дальнейших биохимических анализов. Оказалось, что у фридериции светятся только точки на теле. А механизмы биолюминесценции хенлей и фридериций отличаются не только друг от друга, но и от всех известных ранее. 

«Нам удалось разрушить теорию о единой биолюминесцентной системе земляных червей», — объясняет Наталья Родионова.

В ходе исследования ученые обнаружили, что для реакции свечения Fridericia heliota нужен аденозинтрифосфат (АТФ) и ионы магния. Но содержание ключевого компонента биолюминесцентной реакции — люциферина — в биомассе червей было крайне низким. Удалось выделить лишь 5 мкг чистого люциферина, что было недостаточно для структурного определения на самом современном ЯМР-спектрометре. Решить проблему помогло обнаружение в биомассе фридериций неактивных аналогов люциферина, основным из которых был CompX, и его было в 30 раз больше. Московские специалисты из Института биоорганической химии РАН методами ЯМР- и масс-спектроскопии исследовали присланный образец CompX и по полученным данным предложили его структуру.

Несмотря на кажущуюся простоту, молекулу с таким строением в природе еще никто не находил. Позже выяснилось, что CompX является структурным ядром самого люциферина. «Этот факт стал ключевым моментом в расшифровке структуры люциферина, — говорит Наталья Родионова. — Коллеги предложили четыре наиболее вероятных изомера, химики их синтезировали, и один из них засветился в реакции с люциферазой фридериции в присутствии АТФ. Случилось это в 2013 году. Так люциферин F. heliota стал восьмым в мировом списке природных люциферинов. Теперь химики из нашей команды могут синтезировать его в неограниченном количестве». Однако работа по выделению гена люциферазы всё еще продолжается. 

Что касается хенлей, ученые нашли их в Иркутской области: в огородной земле прибайкальских поселков. Позже этих червей нашли и в окрестностях Красноярска. Выяснилось, что Henlea petushkovi и Henlea rodionovae, отличаясь морфологическими и анатомическими деталями, имеют одинаковую биолюминесцентную систему. Она включает четыре основных компонента: люциферазу, люциферин, ион кальция и кислород. Недавно исследователи обнаружили и выделили еще два низкомолекулярных компонента, способных активировать биолюминесцентную люциферин-люциферазную реакцию. В ближайших планах красноярских ученых — расшифровка структур найденных активаторов и люциферина Henlea, исследование ее люциферазы, описание полного механизма этого типа биолюминесценции, а также завершение работ по изучению F. heliota. 

В 2017 году в почве прибайкальских поселков Петушков и Родионова обнаружили еще один вид биолюминесцентных червей: Microscolex phosphoreus. «Эти черви, светящиеся зеленым светом, были известны науке и раньше, но в России их никогда не находили. У них перекись-зависимая биолюминесцентная система типа D. longa», — поясняет Наталья Родионова. 

«Теперь можно сказать, что у сибиряков под ногами живут целых четыре вида светящихся червей. При этом мало кто их видел!»

«В прошлом году мы провели сравнение биолюминесцентных систем всех видов олигохет, что были у нас в лаборатории, — сибирских и зарубежных. И установили уже четыре типа биолюминесценции для земляных червей: D. longa, Henlea sp. (H. petushkovi и H. rodionovae), Fridericia heliota и Avelona ligra», — говорит Наталья Сергеевна. Изучение биолюминесценции люмбрициды A. ligra — следующая задача красноярских ученых. Над ней они будут работать совместно с московскими коллегами и французским биологом Марселем Кокеном.