Сотрудники Института биоорганической химии РАН (ИБХ РАН), Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН (ИБФ СО РАН) и Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова совместно с коллегами из Бразилии и Японии приблизились к разгадке механизма свечения грибов. Они установили структуру молекулы оксилюциферина – продукта реакции свечения – из грибов, а также синтезировали несколько искусственных аналогов люциферина, которые испускают свет разных цветов.
"Известно, что бактерии, черви, грибы и множество морских организмов могут излучать свет. Это явление вызывало интерес ещё у Аристотеля, – говорит доктор химических наук и руководитель Группы синтеза природных соединений ИБХ РАН Илья Ямпольский. – Но только в XX веке учёные выяснили, что само выделение света происходит благодаря молекуле люциферина, латинское название которой означает "несущий свет". В биолюминесцентной реакции эта молекула окисляется кислородом воздуха, а ускоряет процесс окисления фермент люцифераза. Этот белок-катализатор помогает люциферину превратиться в оксилюциферин, который в итоге испускает свет".
История расшифровки структур природных люциферинов длится более 60 лет. К 1989 году были известны молекулы только семи светоизлучающих биологических пигментов. Прошло 25 лет, прежде чем учёные смогли расшифровать структуру нового люциферина. Сделала это группа учёных Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (ИБХ) РАН и Института биофизики Сибирского отделения (ИБФ) РАН под руководством Ильи Ямпольского. Благодаря им в 2014 году "восьмой формулой света" стал биологический пигмент из сибирского почвенного червя Fridericia heliota, а в 2015 году список пополнился девятой формулой – люциферином грибов.
В новом исследовании эта же команда расшифровала структуру оксилюциферина грибов и провела синтез аналогов люциферина. Для получения продукта реакции биолюминесценции полученный в лаборатории люциферин смешивали с природным экстрактом люциферазы из светящихся грибов Neonotopanus nambi, которые собрали в лесах Вьетнама, а затем полученную смесь продуктов разделяли.
Механизм свечения считается расшифрованным, когда известны все участники этого сложного процесса: молекула-предшественник, ускоряющий биолюминесцентную реакцию фермент и молекула-продукт реакции. Для того чтобы определить структуру оксилюциферина, который образуется в ходе грибного свечения, учёным нужно было наработать большое количество этого продукта. Однако оксилюциферин оказался очень "капризным", нестабильным веществом, что осложняло его накопление.
"Перед нами, кроме всего прочего, стояла задача провести биолюминесцентную реакцию и найти условия, когда продукт будет сохраняться относительно долго. Такие условия мы подобрали, но даже законсервированный оксилюцефирин распадался – до Москвы доезжала лишь малая часть. Для определения общих характеристик молекулы его ещё хватало, а вот для структурных исследований нет. Тогда московские коллеги, работающие на ЯМР-спектрометре, исследовали вещества, получающиеся при распаде молекулы, восстановили исходную структуру оксилюциферина и сравнили свойства полученной молекулы со свойствами оригинала. Совпадение доказало, что мы определили структуру последнего звена в реакции грибного свечения", – делится подробностями проведённой работы кандидат биологических наук, сотрудник ИБФ СО РАН Константин Пуртов.
Работа выполнялась при активном сотрудничестве с бразильскими коллегами. Благодаря уникальным экспериментам в атмосфере меченого кислорода (18О2) удалось не только подтвердить структуру продукта реакции, но и предложить механизм того, как именно люциферин грибов превращается в испускающую свет молекулу.
Промежуточным, но перспективным результатом исследования стали модифицированные молекулы люциферина, которые позволяют получить свечение разного цвета. "Теперь у нас есть "цветные грибы"", – шутят участники исследования. Оказалось, что в грибной биолюминесценции спектр свечения зависит от структуры субстрата. Московские химики синтезировали различные структурные аналоги люциферина, исследуя возможности реакции биолюминесценции грибов. В результате учёные получили целый ряд аналогов люциферина, обеспечивающих свечение почти всех цветов радуги.
"Люциферин грибов состоит из двух важных фрагментов (пираноновый и ароматический циклы). Мы решили посмотреть, будет ли молекула "светиться", если изменить один из фрагментов. Оказалось, что из шести синтезированных аналогов люциферина пять остались активными с экстрактом люциферазы, и светились разными цветами. Так мы, во-первых, подтвердили открытый нами механизм реакции, а во-вторых, продвинулись в понимании того, как можно этим процессом управлять", – рассказывает кандидат химических наук, научный сотрудник Группы синтеза природных соединений ИБХ РАН Зинаида Осипова.
Кроме того, в ходе исследования авторы получили данные, подтверждающие гипотезу о едином механизме биолюминесценции грибов. Важно, что основа механизма свечения грибов – такая распространённая молекула, как кофейная кислота, участвующая в метаболизме не только грибов, но и растений. Возможно, в недалёком будущем именно биолюминесцентную систему грибов будут использовать для создания светящихся деревьев. Кофейная кислота есть у всех растений. Осталось только добавить несколько генов для синтеза ферментов реакции биолюминесценции, и тогда они засветятся.
Изучение биолюминесцентных организмов имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Расшифровка системы свечения грибов, получение аналогов люциферина разной структуры, а значит, тест-систем разного цвета, может быть использовано в экологии для наблюдения за качеством окружающей среды или в медицине для проведения клинических анализов и поиска лекарств.
Результаты исследования подробно описаны в идании Science Advances.
Напомним, что ранее биологи выяснили, зачем светятся многоножки.
