Сегодня - 10.12.2018

Ученые расшифровали биолюминесцентную систему грибов на генетическом и биохимическом уровнях

28 ноября 2018

 

Ученые Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с коллегами из Великобритании, Испании, Бразилии, Японии и Австрии впервые определили все гены, отвечающие за свечение грибов. На сегодня это единственная полностью расшифрованная система свечения эукариотических организмов, которая открывает возможности для создания светящихся растений. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

В пробирке - созданные авторами исследования дрожжи
Свечение живых организмов широко распространено в природе. Несмотря на внешнюю схожесть этого явления, на генетическом и биохимическом уровнях биолюминесцентные системы у разных организмов отличаются. Кванты «живого света» обычно образуются в результате окисления молекул люциферина, которое происходит в присутствии фермента люциферазы и ряда дополнительных соединений. Синтез необходимых для свечения молекул и ферментов контролируется соответствующими генами.

«Если вы понимаете, как устроена биолюминесцентная система, то можете добавить в пробирку необходимые компоненты и увидеть свечение. Важным этапом работы было выделение основных ферментов системы свечения грибов: люциферина и люциферазы. Нам удалось это сделать, используя комбинацию аналитических методов, что и позволило “разобрать” всю систему на составляющие», — рассказывает один из участников исследования, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биофизики СО РАН (Красноярск) Константин Пуртов.

Как только ученые находят гены, отвечающие за синтез ключевых ферментов биолюминесценции, они могут внедрять их в другие организмы. Чаще всего в качестве тест-объекта используют обыкновенную кишечную палочку (наиболее изученный прокариотический, то есть безъядерный организм. — Прим. ред.). Однако встроить такую систему в эукариотический организм (тот, у которого генетическая информация заключена в клетках ядра, отделенных от цитоплазмы мембраной. — Прим. ред.) сложно и требует внесения большого количества изменений. Расшифрованная на генетическом и биохимическом уровнях система свечения грибов — первая, пригодная для использования в эукариотических организмах.

В своей новой работе исследователи представили полное биохимическое и генетическое описание системы свечения грибов Neonothopanus nambi (ядовитых светящихся грибов. — Прим. ред.) В целом система свечения грибов оказалась на удивление простой. Она содержит четыре компонента: молекулярный кислород, люциферин 3-гидроксигиспидин (который получается из кофейной кислоты — промежуточного продукта биосинтеза древесины. — Прим. ред.), NAD (P) H-зависимую гидроксилазу и люциферазу. Чтобы выявить последний элемент, ученые взяли все гены  гриба Neonothopanus nambi и экспрессировали (то есть перевели в вещества, кодируемые этим геном. — Прим. ред.) в дрожжах, и на выросшие колонии побрызгали люциферином. Из того, что в результате засветилось, выделили ДНК. Таким образом выяснили, что  люцифераза кодируется геном nnLuz. Кроме того, исследователи секвенировали весь геном этого гриба и посмотрели, какие гены есть рядом с nnLuz, чтобы выявить другие гены, которые отвечают за свечение грибов.

Результаты они проверили, встроив гены, ответственные за свечение грибов, в дрожжи и добавив в них кофейную кислоту (сами дрожжи ее не синтезируют. — Прим. ред.). Если встроить в них еще один ген, кодирующий синтез кофейной кислоты, то можно получить автолюминесцентный штамм со свечением, видимым невооруженным глазом, что ученые и сделали.

Исследователи протестировали работу фермента люциферазы, запускающего реакцию свечения, в различных типах клеток, включая человеческие раковые клетки и эмбрионы шпорцевой лягушки. Во всех случаях результат был положительный: внедренный ген работал в выбранных клетках, и после добавки люциферина наблюдалось свечение. Именно люцифераза часто используется как репортерный белок для медицинской диагностики или экологического мониторинга.

Работа началась много лет назад в Институте биофизики СО РАН, когда для выполнения работ по мегагранту в Красноярск приехал нобелевский лауреат Осаму Шимомура. Последующее объединение усилий красноярских ученых с коллегами из ИБХ РАН привело к прорыву в теме биолюминесценции.

Изучение  системы свечения грибов и работы по созданию первой в мире генетически кодируемой системы автономной биолюминесценции эукариот поддержаны грантами Российского научного фонда.

По материалам группы научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН

Фото Сергея Шахова

Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus