Биологи из России научили грибы светиться всеми цветами радуги

11:1627.04.2017 (обновлено: 12:16 27.04.2017)

МОСКВА, 27 апр – РИА Новости. Биологи из России и их японские и бразильские коллеги разгадали секрет свечения грибов и создали несколько искусственных аналогов их молекул, сияющих всеми цветами радуги, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

"Люциферин грибов состоит из двух важных фрагментов. Мы решили посмотреть, будет ли молекула светиться, если изменить один из фрагментов. Оказалось, что из шести синтезированных аналогов люциферина пять остались активными 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 Зинаида Осипова из Института биоорганической химии РАН в Москве.

Существует множество живых существ, которые светятся в темноте. К числу таких организмов относятся хищные рыбы-удильщики, приманивающие жертву свечением "крючка" на своей "удочке", а также бактерии, грибы и различные виды светлячков, использующие биолюминесценцию для привлечения партнеров для спаривания.

Источником этого света являются белковые молекулы, использующие кислород и АТФ, чтобы вырабатывать видимую или тепловую части светового спектра, окисляя особые пигментные люциферины. То, как работают белки и их "топливо", сильно интересует ученых, поскольку такие природные источники свечения можно использовать для "подсветки" клеток во время экспериментов и для многих других целей.

Светящиеся грибы всех цветов радуги, "инструкция" по созданию

Осипова и ряд ученых из ИБХ РАН, ИБФ СО РАН и Медицинского университета имени Пирогова в Москве приблизились к раскрытию секрета работы таких молекул в клетках светящихся грибов, которые встречаются в пещерах и других темных уголках планеты. То, как происходит реакция между белками и люциферинами внутри грибов, пока не изучено. Российские исследователи решили восполнить этот пробел.

Выделив светящиеся молекулы и окисляющие их белки из клеток гриба Neonothopanus gardneri, который жители Бразилии называют "цветком кокоса" из-за того, что он растет у подножия пальм, ученые проследили, как меняется их структура при излучении света, используя газовые хроматографы и масс-спектрометры.

Сделать это, как отмечают авторы статьи, было не так просто: продукт окисления люциферина грибов является крайне нестабильным веществом. Это затрудняет его накопление и изучение его структуры. Когда ученые решили эту проблему, им удалось выяснить, что именно происходит со светящимся веществом, где оно окисляется и подобрать его искусственный аналог.

Этот аналог, как показали эксперименты, можно легко модифицировать таким образом, чтобы он не переставал светиться и при этом менял свой цвет. Как шутят ученые, им удалось создать "цветные грибы". Что интересно, "заготовки" люциферина и его синтетических аналогов встречаются в клетках растений. Это позволяет создать первые "цветные" светящиеся растения. Для этого нужно добавить в их ДНК гены, отвечающие за производство окисляющего фермента и самого светящегося вещества – все остальные компоненты, отвечающие за свечение, уже на месте.

Биолюминесцентный планктон, Коста-Рика
Биолюминесцентные динофлагелляты (разновидность планктона) собираются в огромных количествах в некоторых местах по всему миру, включая Коста-Рику, Австралию, Индонезию, Пуэрто-Рико, Японию и Флориду. Крошечные существа вспыхивают ярко-неоновым, фиолетовым или зеленым светом, это их защитный механизм, также они возбуждаются движением извне, например, если провести рукой по воде. Коллективный эффект великолепен и похож на что-то прямо из психоделического видения.

Bioluminescent plankton, Costa Rica
Bioluminescent dinoflagellates, a type of plankton, congregate in massive numbers in some special places around the world, including Costa Rica, Australia, Indonesia, Puerto Rico, Japan, and Florida. These tiny creatures spark bright neon blue, purple, or green as a defense mechanism or when they are stirred up by outside movement, such as a hand running through the water. The collective effect is magnificent and like something straight out of a psychedelic vision.

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ВОЗЛЕ ОСТРОВОВ САН-ХУАН, ВАШИНГТОН
Когда популяция биолюминесцентного организма Noctiluca scintillans увеличивается из-за увеличения содержания питательных веществ в прибрежных водах, это приводит к яркой люминесценции.
BIOLUMINESCENCE OFF THE SAN JUAN ISLANDS, WASHINGTON
When populations of the bioluminescent organism Noctiluca scintillans swell due to increased nutrients in near-shore waters, this is the result.

Я, правда, не уверен, что это сюда

А нет - руководитель исследования сотрудник Imperial College.

Это ни о чём не говорит. Сейчас все приличные отечественные (да и не только отечественные) учёные стараются одновременно подрабатывать где-то ещё.

Кстати, а где там про Imperial College? Первый автор указан как "Planta LLC, Moscow, Russia. Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia." Впрочем "These authors contributed equally: Tatiana Mitiouchkina, Alexander S. Mishin, Louisa Gonzalez Somermeyer, Nadezhda M. Markina, Ilia V. Yampolsky, Karen S. Sarkisyan."

⁹Institute of Clinical Sciences, Faculty of Medicine and Imperial College Centre for Synthetic Biology, Imperial College London, London, UK

Author contributions
T.M., A.S.M., L.G.S., T.V.C., E.B.G., T.A.K., N.M.M., S.V.C., A.S.T., L.I.F., K.A.P., E.S.S., Y.V.G., V.V.N., S.A.D., P.V.S., O.A.M., V.O.S., S.M.D., A.I.B., A.S.P. and K.S.S. performed experiments. T.M., A.S.M., L.G.S., T.V.C., E.B.G., T.A.K., N.M.M., S.V.C., A.S.T., L.I.F., K.A.P., E.S.S., Y.V.G., V.V.N., S.A.D., P.V.S., O.A.M., V.O.S., S.M.D., A.I.B., A.S.P., V.V.C., S.V.D., F.A.K., I.V.Y. and K.S.S. performed data analysis. A.S.M. designed imaging setup, planned and performed experiments, analyzed data and wrote the paper. I.V.Y. and K.S.S. proposed and directed the study, planned experimentation and wrote the paper. All authors reviewed and commented on the paper draft.

This work was supported by Planta LLC. I.V.Y. and K.S.S. are shareholders and employees of Planta. Planta has filed patent applications related to use of components of the fungal bioluminescent system and development of glowing transgenic organisms.

V. hilgendorfii имеет всего 3 миллиметров в длину. Ведёт ночной образ жизни и обитает в песке на дне мелководья. Ночью активно кормится.

V. hilgendorfii известен благодаря своей биолюминесценции. Он способен светится голубым светом благодаря химической реакции между люциферином и ферментом люциферазой. Люцифераза состоит из 555-аминокислот и имеет молекулярную массу 61627 ед. Люцефирин, который в данном случае называется варгулин, — это органическая молекула массой 405.5 Да. Предполагается, что варгулин синтезируется путём соединения триптофана,аргинина и изолейцина.

Максимум люминесценции зависит от рН и солености воды, в которой происходит реакция. Он колеблется между 448 и 463 нм, с максимумом в 452 нм в морской воде. Люциферин окисляется, когда выбрасывается наружу из железы на верхней губе, а люцифераза служит катализатором этого процесса. В результате реакции получаются углекислый газ, оксилюциферин и кванты голубого света. В качестве промежуточного продукта образуется 1,2-диоксетановое кольцо; подобное промежуточное соединение образуется при биолюминесценции и у других светящихся организмов, а также при хемилюминесценции светящихся палочек.

Ученые впервые задокументировали люминесценцию у трех видов глубоководных акул, пойманных у восточного побережья Новой Зеландии: черной акулы (Dalatias licha), фонарной чорночревой (Etmopterus lucifer) и фонарный южной (Etmopterus granulosus). Черная акула стала самым крупным позвоночным животным с люминесценцией из известных в настоящее время, имея длину тела до 1,5 метра.

Все упомянутые акулы имеют одинаковые фотофоры - органы, отвечающие за способность к свечению. Каждый из них погружен в многослойный плоский эпителий и состоит всего из одной клетки-фотоцита, что встроенная в чашеобразную углубление. Сверху она прикрыта клеткой, напоминающий хрусталик в наших глазах.

Зачем это акулам?
Данные акулы живут в т.н. сумеречной зоне океана на глубине 200-1000 метров. Здесь мало солнечного света, однако если посмотреть на плавающих акул снизу, то на фоне светлых поверхностных вод они четко выделяются. Так они могут стать легкой добычей для хищников. Но их синее свечение может помочь замаскироваться, предполагают ученые. В таком случае понятнее, почему у акул сильнее всего светится нижняя часть живота. В случае с черной акулой, которая мало кого боится, биолюминесценция может служить для подсветки морского дна, маскировки от добычи во время охоты. Однако неизвестно, почему у нее также светится спинной плавник. Дальнейшие исследования помогут лучше понять механизмы и назначение люминесценции этих акул.