Сегодня - 23.09.2020

Космос под ногами, или светящиеся черви сибирской тайги

27 августа 2020

Исследователи из красноярского Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и московского Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН на протяжении многих лет изучают химическую природу биолюминесценции земляных червей, обнаруженных на территории Сибири. «Наука в Сибири» подробнее узнала о том, почему черви светятся, как выглядят и где их можно найти. 

Fheliota

Для теплых морей, океанов и тропических лесов светящиеся организмы — явление абсолютно привычное: живые фонарики обитают в воздухе и в воде, бегают по земле и растут на деревьях. Однако, как оказалось, встретить подобное можно и в лесах Сибири, где светятся ранее не известные науке черви из рода Фридериция (вид Fridericia heliota) и рода Хенлея (два родственных вида, которым дали фамилии открывших их красноярских исследователей из лаборатории фотобиологии ИБФ СО РАН: кандидатов биологических наук Валентина Николаевича Петушкова и Натальи Сергеевны Родионовой — Henlea petushkovi и Henlea rodionovae).
 
Биолюминесценцией называют излучение света живыми организмами, которое происходит благодаря химической реакции окисления небольшой органической молекулы — люциферина. Реакцию катализирует особый фермент — люцифераза. Иногда в реакции участвуют дополнительные субстраты, например флавинмононуклеотид (ФМН) или аденозинтрифосфат (АТФ). «Когда мы начали работать с червями, в мире были известны структуры только семи природных люциферинов, последняя из них была расшифрована более четверти века назад. Что касается земляных червей, то считалось, что их биолюминесценция происходит по единому механизму», — говорит Наталья Родионова.
 
Обычно светятся тропические и субтропические черви — мегасколециды и люмбрициды, размером от 10 до 60 см. В ответ на раздражение они выделяют слизь, где сосредоточены специальные клетки с биолюминесцентными реагентами. Клетки лопаются, и слизь начинает светиться. Люциферин у этих червей одинаковый, это простой альдегид, в окислении которого участвует перекись водорода. А вот люциферазы индивидуальны, они определяют цвет биолюминесценции: голубой, зеленый или желтый. Эталонным образцом такой биолюминесценции является Diplocardia longa — крупный червь, обитающий в песчаных почвах на юге Джорджии (США). 
 
Сибирские черви намного меньше размером: 2—5 см и 2—10 мг весом. Впервые их нашли в тайге, случайно увидев ночью голубые звездочки под ногами. Оказалось, что светятся какие-то неизвестные олигохеты из семейства энхитреид. Сначала удалось определить родовые имена червей, а описание их как новых видов было сделано лишь через несколько лет. В лесной почве преобладали фридериции, хенлей было лишь около 1 %. 
 
Первыми ученые начали исследовать фридериций. Ночами в тайге исследователи по свечению в земле искали места обитания фридериций, отмечали их, днем на помеченных местах набирали образцы почвы. Чтобы выделить компоненты биолюминесцентной системы, необходим достаточно большой объем биомассы. По словам Натальи Родионовой, в 2000-х годах вручную собрали несколько сотен тысяч светящихся земляных червей. В лаборатории ученые разделяли их по видам, промывали и замораживали, накапливая для дальнейших биохимических анализов. Оказалось, что у фридериции светятся только точки на теле. А механизмы биолюминесценции хенлей и фридериций отличаются не только друг от друга, но и от всех известных ранее. «Нам удалось разрушить теорию о единой биолюминесцентной системе земляных червей», — объясняет Наталья Родионова.
 
Черви на свету и в темноте
          Черви на свету и в темноте
 
В ходе исследования ученые обнаружили, что для реакции свечения Fridericia heliota нужен аденозинтрифосфат (АТФ) и ионы магния. Но содержание ключевого компонента биолюминесцентной реакции — люциферина — в биомассе червей было крайне низким. Удалось выделить лишь 5 мкг чистого люциферина, что было недостаточно для структурного определения на самом современном ЯМР-спектрометре. Решить проблему помогло обнаружение в биомассе фридериций неактивных аналогов люциферина, основным из которых был CompX, и его было в 30 раз больше. Московские специалисты из Института биоорганической химии РАН методами ЯМР- и масс-спектроскопии исследовали присланный образец CompX и по полученным данным предложили его структуру. Несмотря на кажущуюся простоту, молекулу с таким строением в природе еще никто не находил. Позже выяснилось, что CompX является структурным ядром самого люциферина. «Этот факт стал ключевым моментом в расшифровке структуры люциферина, — говорит Наталья Родионова. — Коллеги предложили четыре наиболее вероятных изомера, химики их синтезировали, и один из них засветился в реакции с люциферазой фридериции в присутствии АТФ. Случилось это в 2013 году. Так люциферин F. heliota стал восьмым в мировом списке природных люциферинов. Теперь химики из нашей команды могут синтезировать его в неограниченном количестве». Однако работа по выделению гена люциферазы всё еще продолжается. 
 
Что касается хенлей, ученые нашли их в Иркутской области: в огородной земле прибайкальских поселков. Позже этих червей нашли и в окрестностях Красноярска. Выяснилось, что Henlea petushkovi и Henlea rodionovae, отличаясь морфологическими и анатомическими деталями, имеют одинаковую биолюминесцентную систему. Она включает четыре основных компонента: люциферазу, люциферин, ион кальция и кислород. Недавно исследователи обнаружили и выделили еще два низкомолекулярных компонента, способных активировать биолюминесцентную люциферин-люциферазную реакцию. В ближайших планах красноярских ученых — расшифровка структур найденных активаторов и люциферина Henlea, исследование ее люциферазы, описание полного механизма этого типа биолюминесценции, а также завершение работ по изучению F. heliota. Обе биолюминесцентные системы очень перспективны для практического применения в аналитике различных веществ в области медицины, экологии и др. 
 
В 2017 году в почве прибайкальских поселков Петушков и Родионова обнаружили еще один вид биолюминесцентных червей: Microscolex phosphoreus. «Эти черви, светящиеся зеленым светом, были известны науке и раньше, но в России их никогда не находили. У них перекись-зависимая биолюминесцентная система типа D. longa, — поясняет Наталья Родионова. — Теперь можно сказать, что у сибиряков под ногами живут целых четыре вида светящихся червей. При этом мало кто их видел!» 
 
Французская Avelona ligra
   Французская Avelona ligra
 
«В прошлом году мы провели сравнение биолюминесцентных систем всех видов олигохет, что были у нас в лаборатории, — сибирских и зарубежных. И установили уже четыре типа биолюминесценции для земляных червей: D. longa, Henlea sp. (H. petushkovi и H. rodionovae), Fridericia heliota и Avelona ligra», — говорит Наталья Сергеевна. Изучение биолюминесценции люмбрициды A. ligra — следующая задача красноярских ученых. Над ней они будут работать совместно с московскими коллегами и французским биологом Марселем Кокеном.
 
Анастасия Федотова
 
Фото предоставлены Натальей Родионовой
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 4.9 (8 votes)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus