Бразильские учёные начинают раскрывать тайну биолюминесцентных систем североамериканского насекомого

Впервые исследователям из Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar) в Бразилии удалось выделить молекулы, принадлежащие почти неизвестной биолюминесцентной системе, обнаруженной у личинок грибного комарика Orfelia fultoni (подсемейство Keroplatinae). Эта маленькая мушка — один из немногих наземных организмов, производящих синий свет. Она обитает на берегах рек в Аппалачских горах на востоке США. Ключевой частью её системы является молекула, также присутствующая у двух недавно открытых бразильских мух.

Исследование, поддержанное Фондом исследований Сан-Паулу (FAPESP), опубликовано в Scientific Reports.

Состав и загадка системы

Биолюминесцентные системы светляков и других насекомых обычно состоят из люциферина (низкомолекулярное соединение) и люциферазы — фермента, катализирующего окисление люциферина кислородом с выделением света. В то время как некоторые системы хорошо изучены, другие, включая сине-светящуюся систему O. fultoni, остаются малоизученными.

В статье описаны свойства люциферазы и люциферина насекомого, а также их анатомическая локализация в личинках. Указаны несколько возможных белков-кандидатов на роль люциферазы.

«Мы пока не знаем, что это за тип белка, но, вероятно, это гексамерин. У насекомых гексамерины — это запасные белки, обеспечивающие аминокислотами, а также выполняющие другие функции, например, связывание низкомолекулярных соединений, таких как люциферин», — пояснил Вадим Вивиани, профессор Центра науки и технологий устойчивого развития (CCTS) UFSCar.

Помимо люциферина и люциферазы, исследователи начали характеризовать комплекс, обнаруженный у насекомых семейства Keroplatidae. Люциферин, который не используется для свечения у O. fultoni и бразильского рода Neoditomyia, был назван кероплатином.

У личинок этого подсемейства кероплатин ассоциирован с «чёрными телами» — крупными клетками, содержащими тёмные гранулы, белки и, вероятно, митохондрии. Биологическое значение этой связи между кероплатином и митохондриями остаётся загадкой.

«Этот люциферин может играть роль в митохондриальном энергетическом метаболизме. Ночью, вероятно, в присутствии природного химического восстановителя, люциферин высвобождается из этих чёрных тел и реагирует с окружающей люциферазой, производя синий свет. Эти возможности мы планируем изучить», — сказал Вивиани.

Бразильские «родственники»

Важную роль в изучении системы североамериканского насекомого сыграло открытие в 2018 году личинки в парке Intervales (штат Сан-Паулу). Она не светится, но производит люциферин, аналогичный O. fultoni.

В последнем исследовании группа ввела очищенную люциферазу североамериканского вида личинкам бразильского вида, после чего те начали излучать синий свет. Неколюминесцентный бразильский вид более распространён в природе, что позволило получить больше материала для изучения и характеристики люциферина (кероплатина), присутствующего у обоих видов.

В 2019 году в сотрудничестве с профессором Кассиусом Стевани из Института химии Университета Сан-Паулу (IQ-USP) была открыта и описана Neoceroplatus betaryensis — новый вид грибного комарика. Это первое сине-светящееся насекомое, обнаруженное в Южной Америке. Оно является близким родственником O. fultoni, но встречается очень редко, что затрудняет сбор материала для исследований.

Перспективы исследований

Учёные сейчас клонируют люциферазу насекомого и характеризуют её на молекулярном уровне. Также анализируется химическая структура люциферина и морфология светящихся органов («фонарей»).

«Как только всё это будет определено, мы сможем синтезировать люциферин и люциферазу в лаборатории и использовать эти системы в различных биотехнологических приложениях, например, для изучения клеток. Это поможет нам больше понять о человеческих болезнях, среди прочего», — заключил Вивиани.