Учёные выяснили, как железнодорожные черви производят красный свет

Исследователи из Бразилии и Японии обнаружили, как люцифераза, производимая личинкой жука-светляка Phrixothrix hirtus (железнодорожный червь), излучает красный свет. Люцифераза — это фермент, катализирующий окисление люциферина у светляков с образованием оксилюциферина, что позволяет им излучать свет. Различия в молекулярной структуре объясняют разный цвет этой биолюминесценции у разных видов.

Это открытие может привести к новым биотехнологическим применениям, например, для визуализации мышц, крови и тканей, богатых гемоглобином.

Исследование проводилось учёными из Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar), Национальной лаборатории биологических наук (LNBio) и Университета электрокоммуникаций в Токио.

Бразильская команда использовала клонированную люциферазу железнодорожного червя (естественно излучающую красный свет) и её мутанты вместе с более крупным аналогом люциферина, синтезированным японской группой.

«Эта новая комбинация люциферазы с аналогом люциферина не только выявила больший размер полости в люциферазе, но и более эффективно производила дальний красный свет. Это идеально для биомедицинских применений, связанных с визуализацией клеток и тканей, которые предпочтительно поглощают сине-зелёный свет, например, клеток млекопитающих», — сказал Вадим Вивиани, профессор UFSCar.

P. hirtus — один из немногих известных животных, излучающих как красный, так и зелёно-жёлтый свет. На личиночной стадии у него несколько зелёных «фонарей» на спине и один красный на голове. Красный помогает ориентироваться в темноте, а зелёные служат для отпугивания хищников.

Механизм свечения

• Зелёно-жёлтые люциферазы имеют меньшую полость в активном центре, где связывается люциферин. Люциферин сжат в более жёсткой среде, что приводит к электростатическому отталкиванию между молекулами и высвобождению более энергичного зелёного или жёлтого света.
• Красная люцифераза из головы имеет большую полость активного центра, больше молекул воды и менее жёсткую среду. Это снижает электростатическое отталкивание, и излучаемый свет (менее энергичный) становится красным.

Биовизуализация

Японская группа синтезировала аналоги люциферина, излучающие красный свет. Более крупные аналоги лучше всего взаимодействовали с люциферазой железнодорожного червя, эффективно излучая дальний красный свет, но плохо связывались с зелёными или жёлтыми люциферазами.

«Люциферазы, катализирующие зелёный и жёлтый свет, имеют маленькую полость и поэтому плохо связываются с крупными аналогами люциферина, которые проявляют очень низкую люминесцентную активность», — пояснил Вивиани.

Исследователи начали тестировать новые комбинации люциферинов с модифицированной люциферазой железнодорожного червя и в итоге создали более интенсивный красный свет, чем у природного P. hirtus.

«Аналоги люциферина, синтезированные японской группой, предлагают преимущество большей люминесцентной активности и красного смещения спектра при специфической комбинации с люциферазой из P. hirtus», — отметил Вивиани.

Это открытие может улучшить визуализацию биохимических и клеточных процессов в тканях млекопитающих (кровь, мышцы), которые не поглощают красный свет.

«Когда эти ткани исследуют с помощью обычной люциферазы, излучающей зелёный, жёлтый или синий свет, невозможно чётко увидеть процессы, потому что пигменты, такие как гемоглобин и миоглобин, поглощают большую часть света в этих частях спектра», — заключил Вивиани.