Пресс-центр / новости / Наука /

Девятая формула света

В продолжение недавней работы по биолюминесценции сибирских червей группа Синтеза природных соединений и лаборатория Биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН вместе с коллегами из Красноярска расшифровали формулу следующего люциферина, на этот раз выделенного из светящихся грибов. Статья также опубликована в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Чугунов А.О.

Призрачное свечение в чаще ночного леса привлекало внимание людей еще в древности. Первые описания этого явления приведены в трудах Аристотеля и Плиния. В начале XIX века выяснилось, что причиной свечения древесины является грибной мицелий. С тех пор накопился большой список различных видов грибов, излучающих свет на разных стадиях своего развития. Более ста лет ученые разных стран пытались разгадать загадку грибного свечения. Однако раз за разом все попытки выделить компоненты, участвующие в биолюминесценции, и понять механизм этого процесса терпели крах. Нобелевский лауреат Осаму Шимомура во время своего визита в Красноярск так говорил об этом: «Очень тяжело получать результаты, это упорный труд, который занимает много времени. В Японии и Соединенных Штатах те, кто встречается с такими трудностями, как правило, находят более легкие пути. Я несколько раз предлагал проводить исследования грибов в Японии, и мне отказывали. Это очень интересная тема, но слишком сложная. В природе есть три вида биолюминесценции: первая — люциферин-люциферазная система, вторая — система фотобелков, и третья... до сих пор не изученная. Фундаментально новые вещи делать всегда сложно. Меня в первую очередь заинтересовали российские исследования люминесценции грибов и червей. Я полагаю, те, кто исследуют свечение червей, смогут определить структуру их люциферина, и я надеюсь на существенный прогресс в понимании механизмов свечения грибов» [1].

Та же команда, которая недавно расшифровала люциферин Fridericia heliota [2], ставший «восьмой формулой света», приступила к исследованию светящихся грибов. В результате объединенными усилиями нескольких лабораторий (лаб. фотобиологии и лаб. нанобиотехнологии и биолюминесценции Института биофизики СО РАН (Красноярск), а также лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии и группа синтеза природных соединений ИБХ РАН (Москва) был совершен прорыв в теме грибной биолюминесценции. Установлены структура нового уникального люциферина — 3-гидроксигиспидина — и путь его биосинтеза из предшественника, а также получены данные, подтверждающие единый биохимический механизм грибной биолюминесценции. Результаты исследований опубликованы в журнале Angewandte Chemie Int. Ed. [3].

Как же ученым удалось выделить «неуловимый» люциферин? Схема грибной биолюминесценции предполагает образование люциферина из некоего предшественника. В ходе работы было выяснено, что предшественник люциферина синтезируется также и в несветящихся грибах, причем в количестве в 100 раз большем, чем в светящихся. Поэтому выделять предлюциферин стали именно из несветящихся грибов. Применение простой процедуры вымачивания мицелия в воде позволило увеличить концентрацию предлюциферина и фермента, преобразующего его в люциферин, в сотни раз. А разрушение мицелия грибов ультразвуком резко увеличило эффективность экстрагирования биолюминесцентной ферментной системы в раствор. Применение этих приемов и привело в конечном итоге к успеху.

C помощью ВЭЖХ из экстракта грибов Pholiota squarrosa получили 6 веществ, структуры которых были затем определены на сверхчувствительных ЯМР-спектрометрах ИБХ РАН. Проявившее наибольшую активность в биолюминесцентных тестах оказалось известным природным соединением — гиспидином. Группа Юичи Оба (Yuichi Oba) из Университета Нагойя (Япония) подтвердили, что гиспидин является универсальным предшественником люциферина и в других грибах.

Рисунок 1. Хроматограмма грибного экстракта, структуры выделенных веществ и их люминесцентная активность.

Отметим интересный факт, что в 1998 году в личном сообщении Осаму Шимомуре его коллега Хидеши Накамура (Hideshi Nakamura) высказал предположение о содержании в структуре вероятных предшественников люциферина общего фрагмента — кофеиновой кислоты, то есть был в шаге от обнаружения гиспидина [4].

Дальнейшие эксперименты показали, что фермент, преобразующий гиспидин в люциферин, оказался не редуктазой, как предполагалось ранее, а гидроксилазой. Выделив этот фермент, удалось получить и сам грибной люциферин и затем установить его структуру. Таким образом, схема грибной биолюминесценции включает два субстрата — предлюциферин (гиспидин) и люциферин (3-гидроксигиспидин) — и два фермента: гидроксилаза преобразует предлюциферин в люциферин, а люцифераза окисляет его с испусканием кванта света.

Рисунок 2. Схема грибной биолюминесценции.

Так была раскрыта тайна грибной люминесценции, будоражившая умы многих ученых. Слова Осаму Шимомура оказались пророческими. Описана новая биолюминесцентная система и грибной люциферин стал девятым в мировом списке. Грибной люциферин еще найдет свое применение в биоимиджинге и других областях прикладной биолюминесценции...

Литература

  1. «Химия и Жизнь», 2012, № 7;
  2. Petushkov V.N., Dubinnyi M.A., Tsarkova A.S., Rodionova N.S., Baranov M.S., Kublitski V.S., Shimomura O., Yampolsky I.V. (2014). A novel type of luciferin from Siberian luminous earthworm Fridericia heliota: structure elucidation by spectral studies and total synthesis. Angewandte Chemie International Edition 53, 5566–5568;
  3. Purtov K.V., Petushkov V.N., Baranov M.S., Mineev K.S., Rodionova N.S., Kaskova Z.M., Tsarkova A.S., Petunin A.I., Bondar V.S., Rodicheva E.K., Medvedeva S.E., Oba Yuichi, Oba Yomiko, Arseniev A.S., Lukyanov S., Gitelson J.I., Yampolsky I.V. (2015). The chemical basis of fungal bioluminescence. Angewandte Chemie International Edition 54, DOI: 10.1002/anie.201501779;
  4. O. Shimomura. (2006). Bioluminescence: Chemical Principles and Methods, World Scientific Publishing, Singapore, 2006.

13 июня 2015 года