Сотрудники Института биоорганической химии РАН, Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН и Российского национального исследовательского медицинского университета имени 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. Работа поддержана грантом РНФ, а ее результаты опубликованы в журнале Science Advances.
«Известно, что бактерии, черви, грибы и множество морских организмов могут излучать свет. Это явление вызывало интерес еще у Аристотеля, — рассказал один из авторов работы, руководитель Группы синтеза природных соединений ИБХ РАН Илья Ямпольский, — но только в XX веке ученые 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».
В своем исследовании группа ученых 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 Neonoto anus nambi, которые собрали в лесах Вьетнама, а затем полученную смесь продуктов разделяли.
«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 еще 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», — рассказал один из авторов статьи, сотрудник ИБФ СО РАН Константин Пуртов.
Промежуточным, но перспективным результатом исследования стали модифицированные молекулы люциферина, которые позволяют получить свечение разного цвета. 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 ученые получили целый ряд аналогов люциферина, обеспечивающих свечение почти всех цветов радуги.
Кроме того, в ходе исследования авторы статьи получили данные, подтверждающие гипотезу о едином механизме биолюминесценции грибов. Важно, что основа механизма свечения грибов — такая распространенная молекула, как кофейная кислота, которая участвует в метаболизме не только грибов, но и растений. Возможно, что в будущем биолюминесцентную систему грибов можно будет использовать для создания светящихся деревьев. Так как кофейная кислота есть у всех растений, нужно лишь добавить несколько генов для синтеза ферментов реакции биолюминесценции.
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.
