Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
Российские ученые совместно с 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. Кроме декоративных целей, ученые работают над созданием лекарств с адресной системой доставки, действия которых можно будет визуализировать. Также теперь получится воочию увидеть процесс миграции раковых клеток.
Со светом по жизни
Некоторые живые организмы способны светиться за счет протекания особых химических реакций. Такие организмы называют биолюминесцентными, к ним относятся светлячки, медузы, черви и др. 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 40 различных химических механизмов для испускания света. Большая часть этих механизмов не изучена совсем или же изучена лишь частично.
Ученые Института биоорганической химии РАН и ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с другими российскими и иностранными коллегами при поддержке Российского научного фонда полностью описали механизм, позволяющий грибам светиться в темноте. Выяснилось, что испускание света обеспечивают всего четыре фермента перенос которых в любые другие организмы делает их светящимися. Чтобы это проиллюстрировать, авторы создали светящиеся в темноте дрожжи.
За свечение грибов отвечают четыре фермента: люцифераза, гиспидин-3-гидроксилаза, гиспидин синтаза, каффеилпируват гидроксилаза
Как пояснили ученые, 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 ученые Андерсон Оливейра и Кассиус Стевани определили, что все светящиеся грибы испускают свет благодаря единому механизму, а в 2015–2017 годах российские ученые совершили ряд ключевых открытий, в том числе определили структуру люциферина — молекулы, окисление которой приводит к испусканию света.
— Если вы понимаете, как устроена биолюминесцентная система, то можете добавить в пробирку необходимые компоненты и увидеть свечение, — рассказал «Известиям» один из участников исследования, научный сотрудник Института биофизики СО РАН (Красноярск) Константин Пуртов. — 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.
Грибы-светильники и деревья-фонари
Ученые обнаружили ферменты, осуществляющие в клетках грибов 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 один из авторов статьи, сотрудник Лаборатории химии метаболических путей ИБХ РАН Алексей Котлобай.
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, — добавила сотрудник Лаборатории биокатализа ИБХ РАН Юлиана Мокрушина.
К примеру, можно перенести ферменты, вызывающие свечение, из грибов в другие живые системы, создав тем самым удобные и энергоемкие предметы обихода. Так, благодаря этому открытию в будущем могут появится такие фантастические организмы, как неоновые бабочки, светящиеся аквариумные рыбки, деревья-фонари и даже целые ночные оранжереи в стиле планеты Пандора, на которой разворачивается действие фильма «Аватар» Джеймса Кемерона.
Люминесценция против рака
Исследование свечения грибов началось много лет назад в Институте биофизики СО РАН, когда для выполнения работ по мегагранту в Красноярск приехал японско-американский ученый, нобелевский лауреат Осаму Шимомура. Последующее объединение усилий красноярских ученых с коллегами из ИБХ РАН привело к прорыву в теме биолюминесценции.
— Нам удалось не только понять генетику биолюминесценции грибов, но еще и создать совершенно новый молекулярный инструмент для биотехнологии, — рассказал «Известиям» заведующий отделом биомолекулярной химии Института биоорганической химии РАН, руководитель проекта Илья Ямпольский.
Например, новую систему можно будет использовать при разработке новых лекарств, а также для для более детальной и качественной визуализации таких биологических процессов, как миграция раковых клеток.
Директор Высшей медико-биологической школы ЮУрГУ Вадим Цейликман считает, что успех коллаборации ученых впечатляет.
— Смысл исследования заключается в реконструкции люминесценции в отдельно взятой пробирке. Это позволяет создавать искусственные люминесцирующие системы. Перспектива применения таких систем охватывает такие области как молекулярная биология, иммунология и биотехнология. Более того, на основании таких искусственных систем возможно конструировать наночастицы, транспортирующие в клетки лекарства. Наиболее вероятно, что эти возможности будут в первую очередь апробированы в области онкологии, — считает Вадим Цейликман.
Ассистент кафедры экологии и генетики Тюменского государственного университета Сергей Артеменко уверен, что открытие ученых найдет применение в различных научных и прикладных сферах.
— Использование системы люциферин-люцифераза производится уже давно, даже в каких-то прикладных проектах. Например в ТюмГУ разрабатывался проект по контролю качества бензина с помощью этой системы. Однако важное достижение работы красноярских и московских ученых именно в том, что ученые исследовали механизм работы этого процесса в живых организмах, — отметил Сергей Артеменко.
Работа по изучению механизма свечения грибов проходила в сотрудничестве с учеными из 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).
