[TEST]Ученые выяснили, как светятся грибы и создали светящиеся дрожжи

Ученые Института биоорганической химии РАН и ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН 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. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

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

Расшифровка механизма свечения грибов стала возможной благодаря многолетним предшествующим исследованиям. Еще в начале XIX века было установлено, что источник свечения гниющего дерева – грибница. В 2009 году Андерсон Оливейра и Кассиус Стевани, соавторы настоящей работы, определили, что все светящиеся грибы испускают свет благодаря единому механизму, а в 2015-2017 годах российские ученые 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 ученые 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: внедренный 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», – рассказывает один из участников исследования, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биофизики СО РАН (Красноярск) Константин Пуртов.

Система свечения грибов оказалась на удивление простой. Она близка к обычным путям обмена веществ живых организмов. Ученые 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 еще 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 практически любой организм светящимся, что раньше было недостижимой целью для исследователей», – пояснил первый автор статьи Алексей Котлобай, сотрудник Лаборатории химии метаболических путей ИБХ РАН (Москва).

По словам ученых, 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 Юлиана Мокрушина, сотрудник Лаборатории биокатализа ИБХ РАН, делящий первое авторство в опубликованной статье.

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 ученых с коллегами из ИБХ РАН привело к прорыву в теме биолюминесценции.

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

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

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из компании Планта, Института биофизики СО РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова, Сколковского института науки и технологий, Института науки и технологий Австрии, Лондонского института медицинских наук, Центра геномной регуляции (Испания), Университета Сан-Паулу (Бразилия) и Университета Чубу (Япония). Теоретическая и экспериментальная части работы поддержаны грантами Российского научного фонда.