Ученые исследовали светящиеся грибы и создали излучающие свет дрожжи

Учёные Института биоорганической химии РАН и Красноярского научного центра вместе с российскими и иностранными коллегами полностью описали механизм, позволяющий грибам светиться в темноте.

Испускание света обеспечивают всего четыре фермента, перенос которых в любые другие организмы делает их светящимися. Чтобы это проиллюстрировать, авторы создали светящиеся в темноте дрожжи.

Некоторые живые организмы способны светиться за счёт протекания особых химических реакций. Их называют биолюминесцентными, к ним относятся светлячки, медузы, черви и другие. Эту способность они используют для привлечения добычи, отпугивания хищников, общения или маскировки.

Сегодня учёным известно о существовании тысяч видов различных светящихся организмов, совокупно использующих около сорока различных химических механизмов для испускания света. Большая часть этих механизмов не изучена совсем или же изучена лишь частично.

Ещё в начале XIX века было установлено, что источник свечения гниющего дерева - грибница. В 2009 году Андерсон Оливейра и Кассиус Стевани определили, что все светящиеся грибы испускают свет благодаря единому механизму, а в 2015-2017 годах российские учёные под руководством Ильи Ямпольского совершили ряд ключевых открытий, в том числе определили структуру люциферина - молекулы, окисление которой приводит к испусканию света.

В ходе нового исследования учёные обнаружили в грибах все ферменты, необходимые для производства этой молекулы, а также фермент, благодаря которому происходит испускание света.

Исследователи протестировали работу фермента люциферазы, запускающего реакцию свечения, в различных типах клеток, включая человеческие раковые клетки и эмбрионы шпорцевой лягушки.

Во всех случаях результат был положительный: внедрённый ген работал в выбранных клетках, и после добавки люциферина наблюдалось свечение. Именно люцифераза часто используется в медицинской диагностике или экологическом мониторинге.

- Если вы понимаете, как устроена биолюминесцентная система, то можете добавить в пробирку необходимые компоненты и увидеть свечение. Важным этапом работы было выделение основных ферментов системы свечения грибов - люциферина и люциферазы. Нам удалось это сделать, используя комбинацию аналитических методов, что и позволило "разобрать" всю систему на составляющие, - рассказал один из участников исследования, кандидат биологических наук, научный сотрудник Красноярского Института биофизики Константин Пуртов.

Система свечения грибов оказалась на удивление простой. Она близка к обычным путям обмена веществ живых организмов. Учёные обнаружили ферменты, осуществляющие в клетках грибов "цикл кофейной кислоты", - каскад реакций, приводящих к биосинтезу люциферина и испусканию света.

Работа этих ферментов необходима и достаточна для того, чтобы сделать светящимся любой организм, клетки которого производят кофейную кислоту. А для организмов, не содержащих этого вещества, свечения можно добиться добавлением ещё двух ферментов, что авторы продемонстрировали, создав светящиеся в темноте дрожжи.

- Мы обнаружили в грибах необходимые компоненты для создания своеобразного генетического модуля, обеспечивающего биолюминесценцию: перенося его из генома в геном, мы можем сделать любой организм светящимся, что раньше являлось недостижимой целью для исследователей, - пояснил сотрудник лаборатории химии метаболических путей столичного Института биоорганической химии Алексей Котлобай.

По словам учёных, несмотря на то, что им удалось многое понять про генетику биолюминесценции грибов, самое интересное - впереди.

- Результаты этой работы открывают возможности как для новых фундаментальных исследований - например, в области экологии грибов или фотофизики ферментов - так и для разработки новых молекулярных технологий, - добавляет сотрудник лаборатории биокатализа Юлиана Мокрушина.

Исследование началось много лет назад в Институте биофизики СО РАН, когда для выполнения работ по мегагранту в Красноярск приехал нобелевский лауреат Осаму Шимомура. Последующее объединение усилий красноярских учёных с московскими коллегами привело к прорыву в теме биолюминесценции.

- Это исследование - прекрасный пример того, насколько эффективной может быть совместная работа учёных разных специальностей из разных стран, из научных институтов и коммерческих компаний, - говорит руководитель проекта, заведующий отделом биомолекулярной химии Института биоорганической химии РАН Илья Ямпольский. - Нам удалось не только понять генетику биолюминесценции грибов и проследить механизм её эволюции, но ещё и создать совершенно новый молекулярный инструмент для биотехнологии.

Новую систему можно будет использовать для более детальной и качественной визуализации таких биологических процессов, как миграция раковых клеток, а также при разработке новых лекарств.

Екатерина БУРЧЕВСКАЯ,

специалист по связям с общественностью Красноярского научного центра.