Биолюминесценция — уникальное свойство живых организмов излучать свет. Ее основа — это биохимическая реакция окисления субстрата люциферина, катализируемая ферментом люциферазой. На сегодняшний день известно около 40 различных биолюминесцентных систем, однако химическая природа была изучена только для некоторых из них. Наиболее подробно описаны биолюминесцентные системы светлячка (McElroy 1947), жуков-щелкунов (Yu and Liu 2020), бактерий (Brodl, Winkler, and Macheroux 2018), медуз (O. Shimomura and Johnson 1975), динофлагеллят (Dunlap, Hastings, and Shimomura 1980) и других. Важно отметить то, что биолюминесцентные системы стали основой множества инструментов для визуализации как в прокариотических, так и в эукариотических организмах. При этом основанные на биолюминесценции методы имеют ряд преимуществ по сравнению, например, с флуоресцентными
подходами: для детектирования люминесценции не требуется внешнее световое возбуждение, не происходит нагревание образца в процессе анализа, а рассеивание света и фоновая автофлуоресценция отсутствуют. Помимо этого, для проведения анализа требуются малые количества как люциферина, так и люциферазы. Люминесцентные подходы являются очень чувствительными, обеспечивают хорошее пространственное разрешение, широкий динамический
диапазон и простую количественную оценку сигнала.

Так, основанные на люминесценции репортеры широко используются как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях: для изучения экспрессии генов, посттрансляционных модификаций, распределения белков в тканях (с использованием тканеспецифических промоторов), взаимодействия белков между собой и других. (Badr and Tannous 2011) Прикладные методы включают количественный анализ метаболитов (Turman and Mathews 1996),
высокопроизводительный скрининг лекарственных препаратов (Che et al. 2012), диагностику аутоиммунных (Burbelo, Lebovitz, and Notkins 2015), инфекционных (Van Reet et al. 2014) и онкологических заболеваний (Andruska et al. 2012) и др. Помимо этого, существует такой подход как многоцветная люминесцентная система, состоящая из трех люцифераз, катализирующих реакции окисления одного и того же субстрата, сопровождающиеся зеленым, оранжевым и красным свечением (Branchini et al. 2018; Nakajima et al. 2005). Такой метод позволяет проводить анализ экспрессии нескольких
генов одновременно и сравнивать транскрипционные активности в одной популяции клеток или тканей.

Однако несмотря на то, что основанные на люминесценции подходы получили широкое применение в фундаментальных и прикладных исследованиях, они обладают рядом недостатков. Для катализа реакции практически всеми известными люциферазами необходимо экзогенное введение субстрата люциферина (кроме люциферазы бактерий), что приводит к невозможности проведения неинвазивной визуализации in vivo. Также стоит отметить, что бактериальная биолюминесцентная система хоть и является генетически кодируемой и была оптимизирована для экспрессии в клетках эукариот, созданные на ее основе биосенсоры в основном используют при работе с бактериями ввиду токсичности синтезируемого люциферина для клеток эукариот.

В то же время, изученная в нашей лаборатории биолюминесцентная система грибов Neonothopanus nambi на данный момент является единственной генетически кодируемой пригодной для использования в эукариотических организмах (Kotlobay et al. 2018). На сегодняшний день очевидно, что необходимо дальнейшее изучение биосинтетических путей люциферинов из других эукариотических организмов, для развития возможностей реализации разнообразных, в том числе более совершенных инструментов для визуализации. Это позволит, в том числе, осуществить переход к многоцветовому имиджингу, позволяющему одновременно отслеживать несколько событий или молекул в исследуемых клетках, тканях или целых организмах.

В свете вышеизложенного изучение биолюминесцентной системы другого эукариотического организма — полихет Odontosyllis undecimdonta — является актуальной и перспективной задачей. Данная система характеризуется очень яркой зелено-голубой люминесценцией, а ее исследования были начаты еще в 1952 году (Harvey 1952). Оказалось, что биолюминесценция полихет Odontosyllis существенно отличается от изученных ранее по структуре основных
компонентов и их свойствам (Mitani et al. 2018). В 2019 году в нашей лаборатории при участии ряда авторов данной заявки была установлена структура люциферина Odontosyllis, представляющего собой необычный трициклический серосодержащий гетероцикл (Kotlobay et al. 2019). Помимо этого на основании полученных данных был предложен путь химических превращений для ферментативного и неспецифического окисления люциферина. Однако данные о конкретных интермедиатах-предшественниках биосинтетического пути люциферина и участвующих в нем ферментах до сих пор отсутствуют.

Таким образом, целью данного проекта станет установление структур интермедиатов пути биосинтеза люциферина O. undecimdonta, а также ферментов, участвующих в этом пути; модификация и оптимизация синтеза люциферина Odontosyllis для создания задела для последующей разработки новых люминесцентных систем анализа для высокопроизводительного скрининга и оптического контроля. Новизна предполагаемых результатов работы по
проекту позволит в будущем расширить возможности неинвазивной люминесцентной визуализации и открыть путь к разработке новых отечественных аналитических методов для биомедицины.