25.04.2014

Ученые из Москвы и Красноярска расшифровали механизм свечения сибирских червей

В сибирских почвах живут светящиеся черви. Исследователи из Красноярска и Москвы изучили их в работе по мегагранту нобелевского лауреата Осамы Симомуры, расшифровав структуру светящегося белка этих червей и синтезировав его в лаборатории.

Три группы российских ученых из Москвы и Красноярска в ходе работы по мегагранту, который возглавлял нобелевский лауреат Осама Симомура, расшифровали структуру нового светящегося вещества люциферина из сибирских почвенных червей. Более того, они синтезировали это вещество в лаборатории и получили свет. Результаты работы авторы опубликовали в журнале Angewandte Chemie (импакт-фактор — более 13).

Открытие новой биолюминесцентной системы — это не только увлекательный предмет фундаментальной науки, есть и прикладная биолюминесценция, так как люциферины используют во всевозможных лабораторных и промышленных анализах.

Биолюминесценция — это излучение света живыми организмами. Этим умением владеют сотни видов, среди которых рыбы, жуки, медузы, моллюски, грибы, черви, бактерии.

Свечение возникает при окислении маленькой органической молекулы, которую называют люциферином, а происходит оно при участии фермента люциферазы.

У разных организмов люциферины разные, в настоящее время ученым известно семь. Последний раз структура нового люциферина была описана 25 лет назад.

Сибирские светящиеся черви Fridericia heliota живут в почве. Крошечный червь, относящийся к олигохетам (малощетинковые черви), 15 мм в длину, испускает голубой свет (478 нм). Этот вид открыли красноярские исследователи из лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН. Как рассказывают авторы работы на сайте Института биоорганической химии (ИБХ) РАН, Валентин Петушков еще в студенческие годы обнаружил светящиеся точки в собственных следах на биостанции, которые оказались червями. Много позже красноярские биофизики с помощью зоологов описали вид Fridericia heliota. Группа Валентина Петушкова исследовала биолюминесцентную систему сибирских червей, выделила необходимые элементы — новые люциферин и люциферазу, кислород, АТФ и ионы магния.

А в 2011 году ученые выиграли мегагрант на создание лаборатории биолюминесцентных биотехнологий в Сибирском федеральном университете, возглавить который пригласили Осаму Симомуру — всемирно известного специалиста по биолюминесценции, получившего Нобелевскую премию за открытие зеленого флуоресцентного белка.

О своей работе, научных интересах и взглядах на фундаментальную науку Осама Симомура рассказывал в конце 2013 года.

Благодаря мегагранту появилась возможность закупить современное оборудование, и исследователи стали работать над расшифровкой структуры люциферина светящегося червя. В этой работе участвовали три научные группы — группа синтеза природных соединений ИБХ РАН под руководством Ильи Ямпольского, Максим Дубинин и Кирилл Надеждин из лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН и группа Валентина Петушкова из красноярской лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН.

Как пишут авторы исследования, чтобы набрать необходимое количество люциферина, им пришлось годами перелопачивать тонны земли из сибирской тайги. За несколько лет удалось собрать 90 г биомассы червей, и из них выделить 5 мкг люциферина.

Структуру его молекулы определили путем ЯМР- и масс-спектроскопии. В итоге стало ясно, что молекула люциферина червей 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.

Осталось попробовать синтезировать это соединение. Благодаря особому подходу ученым удалось сэкономить время и силы на перебор различных вариантов сборки олигопептида из четырех фрагментов. В результате химикам осталось синтезировать четыре соединения с четырьмя разными изомерами. Одно из этих соединений по спектральным характеристикам оказалось идентично природному люциферину.

И самое главное — он вступил в реакцию с люциферазой червя, излучая голубой свет.

Биолюминесценция сегодня нашла практическое применение в самых разных областях. Светящиеся метки используют для проведения анализов в медицине и в тест-системах при разработке лекарств. В лаборатории это позволяет визуализировать различные физиологические процессы, а также увидеть работу какого-либо гена. Экологи используют биолюминесценцию для мониторинга окружающей среды.

У открытого нового люциферина большие возможности практического применения, подчеркивают авторы работы. Во-первых, его просто синтезировать, во-вторых, он стабилен при комнатной температуре и, в-третьих, нетоксичен.

О том, что предстоит сделать для того, чтобы новый люциферин можно было использовать в практических целях, рассказал Илья Ямпольский: «Для биолюминесценции необходимо два компонента. Люциферин мы уже знаем. Теперь мы должны определить аминокислотную последовательность люциферазы, секвенировать ее ген и научиться его клонировать. Тогда станет ясно, какие у нее свойства, удобно ли с ней работать. Если удобно, тогда эта система точно будет использована».

«Областей применения очень много, — продолжает Илья Ямпольский. — Например, в некоторых клинических анализах люминесцентная метка позволяет измерять АТФ: есть ли она в плазме крови (если есть, то клетки лопнули). Затем, фармкомпании разрабатывают тесты, которые показывают, работает ли лекарство. Как правило, в таких тест-системах используют люциферин-люциферазные системы — условно говоря, это лампочка, которую втыкают в схему, чтобы понять, есть ли в ней напряжение.

Кроме того, можно увидеть раковую опухоль. Допустим, если в мышке есть раковая опухоль, которая экспрессирует люциферазу, то мы вводим мышке люциферин, и опухоль начинает светиться. Это так называемый whole body imaging. Ну и плюс к этому разнообразные применения для научных целей — для визуализации клеток, биохимических процессов. Объем рынка биолюминесцентных технологий составляет несколько миллиардов долларов в год, это говорит о том, что они востребованы».

Надежда Маркина

Источники:

1. Газета.Ru