Исследователи описали новую систему биолюминесценции морских червей-светлячков

Международная группа учёных открыла новый люциферин из морских червей Odontosyllis (так называемых "огненных червей"). В статье, опубликованной в PNAS, представлена характеристика трёх ключевых низкомолекулярных компонентов этой системы биолюминесценции, что позволило прояснить её молекулярные механизмы.

"Эта работа — важная веха в рамках большого проекта, направленного на полную характеристику новой биолюминесцентной системы, включая фермент люциферазу, субстрат люциферин, ключевые продукты реакции, механизм испускания света и биосинтетические пути люциферина и его аналогов. Вновь открытые молекулы и представленные механизмы обладают потенциалом для стимулирования разработки новых приложений на основе биолюминесценции в будущем", — сказала Александра Царькова, один из ведущих авторов, исследователь из Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

Биолюминесценция, "холодное" свечение живых организмов, основана на фермент-зависимой биохимической реакции окисления, в которой энергия высвобождается в виде света. Из примерно 40 предполагаемых биолюминесцентных систем структуры субстратов люциферина были выяснены только для девяти, а полное описание пути биосинтеза люциферина вместе с соответствующими ферментами было сделано лишь для двух.

С 2014 года российские учёные в сотрудничестве с коллегами из Японии, Бразилии, Испании, США и Великобритании определили структуры и механизмы действия двух новых люциферинов из грибной и сибирского червя систем. Теперь в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи представили структуру 10-го люциферина. В работе описаны результаты многолетнего проекта, поддержанного Российским научным фондом, включая характеристику трёх ключевых низкомолекулярных компонентов системы биолюминесценции Odontosyllis и пути окисления люциферина, ведущие к свечению.

Так называемые "огненные черви", Odontosyllis — это крошечные морские многощетинковые черви (~20 мм), производящие яркое сине-зелёное свечение. Исследование их системы биолюминесценции началось в середине XX века, но, несмотря на многочисленные попытки, её биохимическая основа оставалась в основном неизвестной.

"Первым препятствием, которое нужно было преодолеть, был сбор образцов Odontosyllis, процесс, ограниченный крошечным размером червей и особенностями их жизненного цикла, позволявший получать лишь несколько граммов образцов в год. Однако благодаря усилиям покойного профессора Сёдзи Иноуэ, посвятившего себя изучению биолюминесценции японского вида Odontosyllis undecimdonta, мы получили 80 граммов лиофилизированных червей, которые он собирал самостоятельно в течение 17 лет и хранил в морозильнике для будущих исследований", — сказал Юити Оба из Университета Тюбу (Япония).

Следующей серьёзной проблемой была склонность люциферина к разложению и его экстремальная чувствительность к УФ-свету. Специально разработанная процедура очистки дала ничтожные количества нестабильного люциферина, который был подвергнут ряду тестов для определения его структуры. Методы ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии и рентгеноструктурного анализа (XRD) позволили выявить высоко необычный трициклический гетероциклический субстрат люциферина, содержащий три атома серы в разных электронных состояниях. Уникальная структура люциферина Odontosyllis даёт ключевое представление о совершенно новой химической основе биолюминесценции, поскольку эта новая молекула не имеет структурного сходства ни с одним другим известным люциферином.

Наряду с люциферином из биомассы Odontosyllis были выделены и идентифицированы ещё две ключевые молекулы: оксилюциферин Odontosyllis и продукт неспецифического окисления люциферина, названные соответственно "Зелёный" и "Розовый" из-за их цвета. Структуры этих низкомолекулярных компонентов позволили исследователям предложить пути химических превращений для ферментативного и неспецифического окисления люциферина. Оксилюциферин Odontosyllis является единственным описанным зелёным первичным излучателем для любого известного биолюминесцентного морского организма.

Полученные результаты дают ключевое представление о химических превращениях, лежащих в основе ферментативного и неспецифического окисления люциферина.