Биолюминесценция
Биолюминесце́нция (от био... и люминесценция), явление, обусловленное способностью некоторых живых организмов испускать свет. Является частным случаем хемилюминесценции. 
Светлячки в лесу.В основе процесса лежит люциферин-люциферазная реакция – химическая реакция окисления низкомолекулярного субстрата (люциферина) кислородом, катализируемая ферментом люциферазой, в результате которой происходит выделение кванта света. В некоторых случаях требуется участие кофакторов, таких как аденозинтрифосфат (АТФ) или ионы металлов.
На данный момент известно о существовании около 700 родов живых организмов, к которым принадлежат биолюминесцентные виды, обладающие биолюминесцентными системами примерно 40 типов. Бо́льшая часть этих систем остается неизученной (Shimomura. 2019). Биолюминесцентные виды присутствуют среди представителей царств бактерий, грибов, животных и простейших и при этом преимущественно являются морскими организмами. Среди представителей царства растений, как и вирусов, биолюминесцентные виды не обнаружены.
История изучения
Первые упоминания биолюминесценции можно найти в работах многих авторов, начиная с Античности, например у Аристотеля (Аристотель. О душе. II. 7), писавшего о свечении грибов и гниющей рыбы, и Плиния Старшего (Плиний Старший. Естественная история. IX. Plinius. Naturalis Historia. IX. 43 / Plinius // Natural History : with an English Translation in Ten volumes / Pliny ; ed. by H. Rackham. – London, 1967. – Vol. 3. – P. 216–217., Plinius. Naturalis Historia. IX. 51 / Plinius // Natural History : with an English Translation in Ten volumes / Pliny ; ed. by H. Rackham. – London, 1967. – Vol. 3. – P. 228–231., Plinius Maior. Naturalis Historia. IX. 87 / Plinius // Natural History / Pliny ; ed. by H. Rackham. – Cambridge, MA ; London, 1967. – Vol. 3. – P. 286–287), описывавшего свечение морских организмов.
Светлячок.При этом в случае светящихся насекомых, таких как светлячки, или крупных грибов люди понимали, что свет испускают живые организмы. Интерес к данному явлению и желание разгадать его природу даже оказывали влияние на культурные традиции некоторых народов. Так, в Японии до сих пор существует традиция хотаругари – любования светлячками. Однако в случае свечения микроскопических организмов, обусловливающих, к примеру, свечение морской воды по ночам или гниющих деревьев в лесу, связь свечения с живыми организмами стала очевидной только после изобретения различных приборов, таких как микроскоп, и достижения наукой определённого уровня развития.
С развитием науки продолжались попытки учёных разгадать природу биолюминесценции. Эксперименты Р. Бойля в 17 в. показали необходимость присутствия воздуха для биолюминесценции (Boyle. 1668).
Однако первым учёным, кому удалось по-настоящему существенно продвинуться в изучении данного явления, был Р. Дюбуа. Он смог показать в своих экспериментах, что биолюминесценцию светлячков можно воспроизвести в присутствии кислорода in vitro с помощью водных экстрактов, полученных из гомогенизированных тканей фотофоров. Для этого он использовал т. н. горячий экстракт, получаемый с помощью горячей воды и содержащий устойчивые к нагреванию низкомолекулярные вещества, и «холодный экстракт» – фракцию, получаемую с помощью холодной воды и содержащую белки (Dubois. 1885). В результате проведенных экспериментов Дюбуа сформулировал основные понятия, положенные в фундамент изучения биолюминесценции и использующиеся до настоящего времени. Он обосновал ферментативную природу химической реакции, лежащей в основе этого явления, а также ввел понятия люциферина как низкомолекулярного субстрата реакции и люциферазы как фермента, катализирующего процесс окисления.
Впоследствии значительный вклад в развитие изучения биолюминесценции внесли работы Э. Н. Харви, У. Макелроя и Дж. Гастингса, изучавших биолюминесцентные системы светлячков, бактерий, ракообразных, моллюсков и др. Успешная расшифровка биолюминесцентных систем началась с изучения люциферин-люциферазной реакции светлячка. Первые опыты с ней были описаны в работах Харви в начале 20 в. (Harvey. 1917а; Harvey. 1917б). Затем группой под руководством Макелроя был сделан ряд важных открытий (таких как необходимость кофакторов АТФ и Mg2+ для люциферин-люциферазной реакции у светлячков), приведших к значительным сдвигам в понимании как химических принципов самой биолюминесцентной реакции, так и структур отдельных ее компонентов (McElroy. 1947; McElroy. 1955). Затем были получены первые препараты очищенного люциферина и его кристаллы (Bitler. 1957), что в свою очередь привело к расшифровке структуры люциферина светлячка. Биолюминесцентная система светлячка является на данный момент одной из самых изученных.
Параллельно с Гастингсом и Макелроем в 1950–1960-х гг. проводил свои эксперименты Симомура Осаму, также внёсший значительный вклад в изучение основ и механизмов биолюминесценции. В частности, ему удалось установить структуру люциферина остракод (Cypridina hilgendorfii) (Shimomura. 1957), а затем выделить из медузы Aequorea victoria фотобелок экворин и зелёный флуоресцентный белок (GFP), за установление структуры которого в 2008 г. он был удостоен Нобелевской премии по химии. Также работы Симомуры сыграли ключевую роль в установлении структуры люциферина кишечнополостных – целентеразина. Таким образом были заложены основы для последующих успешных исследований в области изучения биолюминесценции.
Механизм и основы явления
В основе биолюминесценции лежит реакция окисления молекулы субстрата – люциферина. Процесс катализируется ферментом люциферазой. В ходе реакции с помощью кислорода молекула люциферина превращается в молекулу оксилюциферина в возбуждённом состоянии, которая затем переходит в нормальное состояние, испуская при этом квант видимого света. Иногда люциферин может быть ковалентно связан с люциферазой, в таком случае получившийся комплекс называют фотобелком. Наиболее известные фотобелки: экворин медузы A. victoria, обелин гидрозои Obelia longissima, мнемиопсин и беровин гребневиков Mnemiopsis leidyi и Beroe abyssicola, несущие в себе целентеразин.
Одной из важнейших характеристик светового излучения является его цвет, обусловленный в свою очередь длиной волны. У различных организмов цвет биолюминесцентного излучения варьирует от синего (целентеразиновые системы) до красного (системы жуков семейства фенгодид).
Влияние на этот параметр может оказывать целый набор факторов, и представители различных групп живых организмов используют разные способы модулирования цвета биолюминесценции, причем иногда свечение разного цвета может присутствовать у одного организма, как у жуков семейства фенгодид, имеющих фотофоры, испускающие свет различных оттенков – красного и жёлто-зелёного. Оксилюциферин светлячков способен к кето-енольной таутомерии. Преобладание той или иной изоформы зависит от рН окружающей среды. При этом преобладание кето-формы смещает цвет испускаемого света в красную область (с длиной волны до 618 нм), а енольная форма сдвигает спектр излучения в коротковолновую область, делая цвет жёлто-зелёным (с длиной волны до 560 нм).
Некоторые живые организмы модулируют цвет биолюминесценции с помощью дополнительных молекул фотоизлучателей, используя механизм фёрстеровского резонансного переноса энергии (FRET – Förster resonance energy transfer). Такая молекула выступает в качестве акцептора, поглощая кванты света, высвободившиеся в результате люминесцентной реакции, и затем излучает их уже в более длинноволновом диапазоне. Так, бактерии используют флавинмононуклеотид и флуоресцентные белки, что позволяет им изменять цвет излучаемого света от синего до жёлтого. Медуза A. victoria использует зелёный флуоресцентный белок, чтобы изменять синий свет, возникающий в результате люминесцентной реакции с участием целентеразина, на зелёный.
Структурные формулы люцеферинов.Стоит отметить, что, несмотря на общность механизма, лежащего в основе явления биолюминесценции, существует как множество различных по структуре молекул люциферина, так и множество не похожих друг на друга люцифераз (Kotlobay. 2020). Подтверждено существование нескольких десятков уникальных биолюминесцентных систем у различных групп организмов (Shimomura. 2019). Однако нередки случаи, когда системы различных организмов имеют общие компоненты. Например, представители групп мягких кораллов (Renilla), веслоногих ракообразных (Copepoda), ракушковых ракообразных (Conchoecia), головоногих моллюсков (Vampyroteuthis), сцифоидных медуз (Periphylla) и десятиногих ракообразных (Olophorus) имеют различные по структуре, совершенно непохожие друг на друга люциферазы, но используют один и тот же люциферин – целентеразин.
Примечательно, что многие организмы не синтезируют люциферин самостоятельно, а получают его с пищей, охотясь на другие биолюминесцентные организмы – рачков и кишечнополостных. Более того, известны случаи, когда биолюминесцентный организм использует поступающие с пищей не только люциферин, но и люциферазу, как в случае с рыбой Parapriacanthus ransonneti, питающейся биолюминесцентными остракодами (Bessho-Uehara. 2020).
Для испускания света у большинства организмов существуют специальные клетки (фотоциты), образующие особые ткани и органы (фотофоры), часто имеющие довольно сложное строение. При этом часть биолюминесцентных организмов, например некоторые рыбы и кальмары, используют для биолюминесценции не собственные системы, а симбиотические организмы, живущие в фотофорах.
Биологическая роль
Существует предположение, что аналогично фотосистемам бактерий и растений люциферины изначально выполняли функцию антиоксидантов и защищали клетки от воздействия как самого кислорода, так и его активных форм. Впоследствии в ходе эволюции они стали частью биолюминесцентных систем, выполняющих различные функции. До сих пор лишь в части случаев установлена биологическая роль биолюминесценции, однако существует множество гипотез о функции данного явления у живых организмов различных групп.
Так, светлячки используют световые сигналы для поиска и привлечения партнёра в период размножения. Длительность и частота вспышек у самок видоспецифичны, что позволяет находить самцов своего вида в местах, где обитают несколько различных видов светлячков. Морские полихеты Odontosillys также используют биолюминесценцию для привлечения партнёров.
Хищные личинки двукрылых насекомых Arachnocampa и Orfelia, а также рыбы-удильщики с помощью света приманивают добычу. В то же время, по предположению исследователей, некоторые рыбы с помощью биолюминесценции маскируются. Поскольку светоизлучающие клетки находятся на брюхе, то хищникам сложнее увидеть их из глубины.
Существует также гипотеза, что у колониальных оболочников рода Pyrosoma, а также некоторых ракообразных и динофитовых водорослей (динофлагеллят) вспышки света являются сигналом коллективной опасности. При этом не только подается сигнал тревоги для особей своего вида, но и происходит «подсветка» напавшего хищника для других, более крупных хищников, которые в свою очередь могут уже напасть на него (Haddock. 2010).
Морские полихеты Chaetopterus производят вспышки света и светящуюся слизь при механическом и электрическом воздействии на них, что свидетельствует в пользу того, что биолюминесценция используется ими для защиты и отпугивания напавшего хищника. Также поступают и многие виды головоногих моллюсков, обладающих биолюминесценцией. Они выпускают облако люминесцентного секрета, отвлекая или отпугивая потенциального хищника, в то время как сами уплывают в безопасное место. Глубоководный кальмар Octopoteuthis deletron даже может отбрасывать часть своих светящихся щупалец, которые продолжают дёргаться и мигать, тем самым отвлекая хищника, пока животное уплывает (Haddock. 2010).
В то же время биолюминесценция может использоваться и по своему прямому назначению. Глубоководные рыбы родов Aristostomias, Pachystomias и Malacosteus освещают пространство вокруг себя светом той части спектра, которая недоступна для восприятия другими глубоководными обитателями, что позволяет им получать больше информации об окружающем пространстве, не привлекая к себе внимания потенциальных жертв и других хищников, а также коммуницировать с другими представителями своего вида (Herring. 2005; Widder. 1984).
В последние годы учёными были получены данные о том, что тропические биолюминесцентные грибы, такие как Neonothopanus gardneri, по ночам привлекают своим светом определённые виды насекомых, которые могут способствовать распространению грибных спор (Oliveira. 2015).
Современное состояние дел в области изучения биолюминесценции
На данный момент в той или иной степени исследованы всего около 15 биолюминесцентных систем. Можно выделить следующие группы живых организмов, чьи биолюминесцентные системы изучены частично или полностью:
биолюминесцентные системы, использующие люциферин светлячков (D-люциферин) (светлячки, жуки-щелкуны, фенгодиды);
биолюминесцентные системы, использующие целентеразин (кораллы Renilla, веслоногие ракообразные подкласса Copepoda, креветки семейства Oplophoridae, гидроидные медузы, гребневики);
биолюминесцентные системы рачков криля;
биолюминесцентные системы остракод рода Cypridina;
биолюминесцентные системы полихет рода Odontosyllis;
биолюминесцентные системы червей Fredericia heliota;
биолюминесцентные системы моллюсков Latia.
Определены структуры 10 люциферинов и множества люцифераз (Shimomura. 2019). Также известны структуры 4 фотобелков: экворина, обелина, беровина и мнемиопсина, содержащих целентеразин.
Применение результатов современных исследований
На основе изученных биолюминесцентных систем было разработано множество методов и технологий, спектр применения которых в современных науке и медицине очень широк (Kaskova. 2016):
методики определения различных аналитов, таких как АТФ, ионы металлов и других веществ in vitro и с помощью клеток-репортёров, применяемые в экологическом мониторинге загрязнений окружающей среды, биохимических исследованиях и анализе качества продуктов питания и напитков;
высокоэффективный скрининг лекарственных препаратов, в том числе подбор оптимальных для проведения химиотерапии рака. Исследование белок-белковых взаимодействий, как in vitro так и in vivo;
биоимиджинг, позволяющий визуализировать и отслеживать в режиме реального времени биохимические и физиологические процессы внутри живых клеток и интактных, свободно движущихся животных;
различные иммунологические исследования.
Однако наличие недостатков, таких как неподходящая длина волны испускаемого света, рН-чувствительность некоторых люцифераз и др., сужающих возможности использования и применения этих методик, стимулирует дальнейшее изучение природных биолюминесцентных систем с целью поиска новых люциферинов и люцифераз для расширения спектра методов исследования и улучшения уже существующих инструментов анализа.