На главную

Биолюминесцентная система бактерий

Биолюминесце́нтная систе́ма бакте́рий, набор белков и небольших органических молекул, позволяющих некоторым представителям царства бактерий испускать свет. Ключевые компоненты системы: люциферин (миристиновый альдегид), флавинмононуклеотид (ФМН-Н2 ) и состоящий из двух субъединиц фермент люцифераза. В ряде случаев содержит дополнительные флуоресцентные белки. Идентифицированы ферменты, отвечающие за синтез люциферина. Биолюминесцентная система бактерий хорошо изучена, широко применяется в биотехнологии и медицинских исследованиях.

Светящиеся бактерии широко распространены в морской среде. Среди них обнаружены как свободноживущие, обитающие в морской воде, так и симбиотические виды, живущие в светящихся органах и других частях морских биолюминесцентных организмов. Биолюминесцентные бактерии являются причиной свечения мёртвых морских обитателей, остатков гниющей рыбы и мяса в природе и в антропогенной среде. Также они используются для испускания света некоторыми рыбами и беспозвоночными. Живущие в море светящиеся бактерии обычно относят к родам фотобактерий (Photobacterium), Beneckea и вибрионов (Vibrio), остальные – к родам Vibrio и Xenorhabdus.

История изучения

Способность бактерий излучать свет продемонстрирована Э. Н. Харви в первой половине 20 в. (Harvey. 1952[1]). В результате дальнейших исследований установлено, что для биолюминесценции бактериям необходим ряд факторов: присутствие флавинмононуклеотида, растворимых алифатических альдегидов, люциферазы и кислорода (Cormier. 1953[2]; Strehler. 1954[3]), причём в данной реакции альдегид является люциферином (McElroy. 1955[4]). Экспериментальные данные указывали на то, что в лабораторных условиях максимум эмиссии биолюминесценции лежит в пределах 472–505 нм (Seliger. 1968[5]).

Гораздо позднее, в 1980-х гг., открыты, выделены и охарактеризованы жёлтые флуоресцентные белки (yellow fluorescent protein, YFP), сдвигающие максимум эмиссии биолюминесценции в длинноволновую область спектра (от 490 до 534 нм) благодаря механизму ферстеровского резонансного переноса энергии (förster resonance energy transfer, FRET) (Yellow light emission ...1987[6]; Purification of the yellow fluorescent protein ... 1987[7]; Petushkov. 1995[8]). Также обнаружены синие флуоресцентные белки (lumazine proteins, LumP), сдвигающие максимум излучения биолюминесценции в коротковолновую область спектра (от 490 до 476 нм) со значительным увеличением яркости излучения (Koka. 1979[9]; O’Kane. 1985[10]).

В 1967 г. экспериментально показано, что люцифераза бактерий состоит из двух субъединиц: α-субъединицы массой около 40 кДа и β-субъединицы массой около 35 кДа (Friedland. 1967[11]). Однако гены, кодирующие белки субъединиц, идентифицированы и клонированы только в конце 20 в. (Nucleotide sequence of the luxA gene ...1985[12]; Johnston. 1986[13]; Haygood. 1986[14]).

Бактериальный люциферин – миристиновый альдегид

Структурная формула миристинового альдегида

Бактериальный люциферин – миристиновый альдегид – окисляется в процессе реакции, но не является истинным источником света, в этой роли выступает гидроксифлавин. Миристиновый альдегид является люциферином бактерий in vivo, однако in vitro реакция идёт и в присутствии некоторых других алифатических альдегидов (Ulitzur. 1979[15]).

Люциферазы

Наиболее изучены биолюминесцентные системы бактерий Vibrio harveyi, Vibrio fischeri, Photorhabdus (Xenorhabdus) luminescens, Photobacterium phosphoreum и Photobacterium leiognathi. Все известные на момент написания статьи люциферазы бактерий имеют схожее строение: гетеродимерный комплекс, состоящий из двух субъединиц α и β (около 40 кДа и 35 кДа соответственно) (Friedland. 1967). Каждая субъединица люциферазы кодируется отдельным геном – luxA и luxB соответственно. Эти гены впервые были клонированы в конце 20 в. (Cohn. 1985; Johnston. 1986; Haygood. 1986). По отдельности субъединицы практически не обладают люциферазной активностью, поэтому простое смешивание растворов, каждый из которых содержит только одну субъединицу, активность не восстанавливает (Purified native subunits of bacterial luciferase ... 1993[16]). Для её восстановления требуется совместная ренатурация рекомбинантных полипептидов обеих субъединиц (Contribution of folding steps ... 1993[17]). Также было показано, что активный центр фермента, вероятнее всего, находится на α-субъединице (Cline. 1972[18]).

Пространственная структура люциферазы Vibrio harveyi установлена в конце 20 в. (Three-dimensional structure ... 1995[19]). Обе субъединицы имеют схожее строение, при этом α-субъединица способна связывать ФМН-Н2 (AbouKhair. 1985[20]).

Люциферазы бактерий Photobacterium phosphoreum и Vibrio fischeri проявляют активность в диапазоне рН реакционной смеси от 6 до 8 (Nakamura. 1971[21]; Hastings. 1978). Однако свойства люцифераз бактерий различаются в зависимости от того, из какого организма они клонированы. Например, люцифераза Vibrio fischeri стабильно работает при 30 °C, однако её активность падает практически до нуля при нагревании до 37 °C (Friedland. 1967). Люцифераза Vibrio harveyi, напротив, имеет температурный оптимум работы около 37 °C; люцифераза из Photobacterium luminescens остаётся стабильной вплоть до 42 °C (Szittner. 1990[22]).

Главное достоинство биолюминесцентной системы бактерий по сравнению со всеми другими известными системами – возможность полностью закодировать её с помощью lux оперона. Оперон luxCDABE кодирует люциферазу (luxA и luxB) и белки (редуктазу, трансферазу и синтетазу), необходимые для синтеза субстрата (luxCDE) (Biotechnological improvements of bioluminescent systems. 2010[23]).

Люциферин-люциферазная реакция

Многие научные коллективы изучали механизм люминесцентной реакции бактерий, и в результате, на основе экспериментальных данных, предложена следующая схема реакции (Shimomura. 2006[24]):

Механизм бактериальной биолюминесценции

Применение

В основном биолюминесцентная система бактерий используется для создания биосенсоров (как ген-репортёр), исследования развития бактериальных заболеваний и экотоксических исследований. Созданы биосенсоры для обнаружения в воде и почве различных молекул загрязнителей как органического, так и неорганического происхождения; системы мониторинга различных метаболитов, применяемые в исследованиях по изучению раковых опухолей; модельные системы на основе бактериальных биолюминесцентных систем для исследований взаимодействия патоген/хозяин и развития инфекции ран, ожогов, зубов и мягких тканей, а также для изучения инфекций, вызванных бактериями, вирусами, грибами и простейшими.

Примечания

  1. ↑ Harvey E. N. Bioluminescence / E. N. Harvey. – New York : Academic Press, 1952.
  2. ↑ Cormier M. J. The identification of KCF : requirement of long-chain aldehydes for bacterial extract luminescence / M. J. Cormier, B. L. Strehler // Journal of the American Chemical Society. – 1953. – Vol. 75, № 19. – P. 4864–4865.
  3. ↑ Strehler B. L. Isolation, identification, and function of long chain fatty aldehydes affecting the bacterial luciferin-luciferase reaction / B. L. Strehler, M. J. Cormier // Journal of Biological Chemistry. – 1954. – Vol. 211, № 1. – P. 213–225.
  4. ↑ McElroy W. D. Enzymatic properties of bacterial luciferase / W. D. McElroy, A. A. Green // Archives of Biochemistry and Biophysics. – 1955. – Vol. 56, № 1. – P. 240–255.
  5. ↑ Photophysiology : current topics. Vol. 4 / ed. by Arthur C. Giese. – New York : Academic Press, 1968.
  6. ↑ Yellow light emission of Vibrio fischeri strain Y-1: purification and characterization of the energy-accepting yellow fluorescent protein / S. C. Daubner, A. M. Astorga, G. B. Leisman, T. O. Baldwin // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 1987. – Vol. 84, № 24. – P. 8912–8916.
  7. ↑ Purification of the yellow fluorescent protein from Vibrio fischeri and identity of the flavin chromophore / P. Macheroux, K. U. Schmidt, P. Steinerstauch [et al.] // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 1987. – Vol. 146, № 1. – P. 101–106.
  8. ↑ Petushkov V. N. The yellow bioluminescence bacterium, Vibrio fischeri Y1, contains a bioluminescence active riboflavin protein in addition to the yellow fluorescence FMN protein / V. N. Petushkov, B. G. Gibson, J. Lee // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 1995. – Vol. 211, № 3. – P. 774–779.
  9. ↑ Koka P. S. Separation and structure of the prosthetic group of the blue fluorescence protein from the bioluminescent bacterium Photobacterium Phosphoreum / P. S. Koka, J. Lee // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1979. – Vol. 76, № 7. – P. 3068–3072.
  10. ↑ O'Kane D. J. Purification of lumazine proteins from Photobacterium leiognathi and Photobacterium phosphoreum: bioluminescence properties / D. J. O'Kane, V. A. Karle, J. Lee // Biochemistry. – 1985. – Vol. 24, № 6. – P. 1461–1467.
  11. ↑ Friedland J. The reversibility of the denaturation of bacterial luciferase / J. Friedland, J. W. Hastings // Biochemistry. – 1967. – Vol. 6, № 9. – P. 2893–2900.
  12. ↑ Nucleotide sequence of the luxA gene of Vibrio harveyi and the complete amino acid sequence of the alpha subunit of bacterial luciferase / D. H. Cohn, A. J. Mileham, M. I. Simon [et al.] // The Journal of Biological Chemistry. – 1985. – Vol. 260, № 10. – P. 6139–6146.
  13. ↑ Johnston T. C. Nucleotide sequence of the luxB gene of Vibrio harveyi and the complete amino acid sequence of the alpha subunit of bacterial luciferase / T. C. Johnston, R. B. Thompson, T. O. Baldwin // The Journal of Biological Chemistry. – 1986. – Vol. 261, № 11. – P. 4805–4811.
  14. ↑ Haygood M. G. Luciferase genes cloned from the unculturable luminous bacteroid symbiont of the Caribbean flashlight fish, Kryptophanaron alfredi / M. G. Haygood, D. H. Cohn // Gene. – 1986. – Vol. 45, № 2. – P. 203–209.
  15. ↑ Ulitzur S. Evidence for tetradecanal as the natural aldehyde in bacterial bioluminescence / S. Ulitzur, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1979. – Vol. 76, № 1. – P. 265–267.
  16. ↑ Purified native subunits of bacterial luciferase are active in the bioluminescence reaction but fail to assemble into the alpha beta structure / J. F. Sinclair, J. J. Waddle, E. F. Waddill, T. O. Baldwin // Biochemistry. – 1993. – Vol. 32, № 19. – P. 5036–5044.
  17. ↑ Contribution of folding steps involving the individual subunits of bacterial luciferase to the assembly of the active heterodimeric enzyme / T. O. Baldwin, M. M. Ziegler, A. F. Chaffotte, M. E. Goldberg // The Journal of Biological Chemistry. – 1993. – Vol. 268, № 15. – P. 10766–10772.
  18. ↑ Cline T. W. Mutationally altered bacterial luciferase. Implications for subunit functions / T. W. Cline, J. W. Hastings // Biochemistry. – 1972. – Vol. 11, № 18. – P. 3359–3370.
  19. ↑ Three-dimensional structure of bacterial luciferase from Vibrio harveyi at 2.4 A resolution / A. J. Fisher, F. M. Raushel, T. O. Baldwin, I. Rayment // Biochemistry. – 1995. – Vol. 34. – P. 6581–6586.
  20. ↑ AbouKhair N. K. Bacterial luciferase: demonstration of a catalytically competent altered conformational state following a single turnover / N. K. AbouKhair, M. M. Ziegler, T. O. Baldwin // Biochemistry. – 1985. – Vol. 24, № 15. – P. 3942–3947.
  21. ↑ Nakamura T. Studies on luciferase from Photobacterium phosphoreum. I. Purification and physiochemical properties / T. Nakamura, K. Matsuda // Journal of Biochemistry. – 1971. – Vol. 70, № 1. – P. 35–44.
  22. ↑ Szittner R. Nucleotide sequence, expression, and properties of luciferase coded by lux genes from a terrestrial bacterium / R. Szittner, E. Meighen // The Journal of Biological Chemistry. – 1990. – Vol. 265, № 27. – P. 16581–16587.
  23. ↑ Chemiluminescence and bioluminescence : past, present and future / ed. by A. Roda. – Cambridge : Royal Society of Chemistry, 2010.
  24. ↑ Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods / O. Shimomura. – Hackensack, NJ : World Scientific Publishing, 2006.

Литература

  • Harvey E. N. Bioluminescence. – New York : Academic Press, 1952.
  • Cormier M. J. The identification of KCF : requirement of long-chain aldehydes for bacterial extract luminescence / M. J. Cormier, B. L. Strehler // Journal of the American Chemical Society. – 1953. – Vol. 75, № 19. – P. 4864–4865.
  • Strehler B. L. Isolation, identification, and function of long chain fatty aldehydes affecting the bacterial luciferin-luciferase reaction / B. L. Strehler, M. J. Cormier // Journal of Biological Chemistry. – 1954. – Vol. 211, № 1. – P. 213–225.
  • McElroy W. D. Enzymatic properties of bacterial luciferase / W. D. McElroy, A. A. Green // Archives of Biochemistry and Biophysics. – 1955. – Vol. 56, № 1. – P. 240–255.
  • Friedland J. The reversibility of the denaturation of bacterial luciferase / J. Friedland, J. W. Hastings // Biochemistry. – 1967. – Vol. 6, № 9. – P. 2893–2900.
  • Photophysiology : current topics / ed. by A. C. Giese. – New York : Academic Press, 1968. – Vol. 4.
  • Nakamura T. Studies on luciferase from Photobacterium phosphoreum. I. Purification and physiochemical properties / T. Nakamura, K. Matsuda // Journal of Biochemistry. – 1971. – Vol. 70, № 1. – P. 35–44.
  • Cline T. W. Mutationally altered bacterial luciferase. Implications for subunit functions / T. W. Cline, J. W. Hastings // Biochemistry. – 1972. – Vol. 11, № 18. – P. 3359–3370.
  • Hastings J. W. Bacterial luciferase : assay, purification, and properties / J. W. Hastings, T. O. Baldwin, M. Z. Nicoli // Methods in Enzymology. – 1978. – Vol. 57. – P. 135–152.
  • Koka P. S. Separation and structure of the prosthetic group of the blue fluorescence protein from the bioluminescent bacterium Photobacterium Phosphoreum / P. S. Koka, J. Lee // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1979. – Vol. 76, № 7. – P. 3068–3072.
  • Ulitzur S. Evidence for tetradecanal as the natural aldehyde in bacterial bioluminescence / S. Ulitzur, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1979. – Vol. 76, № 1. – P. 265–267.
  • AbouKhair N. K. Bacterial luciferase: demonstration of a catalytically competent altered conformational state following a single turnover / N. K. AbouKhair, M. M. Ziegler, T. O. Baldwin // Biochemistry. – 1985. – Vol. 24, № 15. – P. 3942–3947.
  • O'Kane D. J. Purification of lumazine proteins from Photobacterium leiognathi and Photobacterium phosphoreum: bioluminescence properties / D. J. O'Kane, V. A. Karle, J. Lee // Biochemistry. – 1985. – Vol. 24, № 6. – P. 1461–1467.
  • Nucleotide sequence of the luxA gene of Vibrio harveyi and the complete amino acid sequence of the alpha subunit of bacterial luciferase / D. H. Cohn, A. J. Mileham, M. I. Simon [et al.] // The Journal of Biological Chemistry. – 1985. – Vol. 260, № 10. – P. 6139–6146.
  • Haygood M. G. Luciferase genes cloned from the unculturable luminous bacteroid symbiont of the Caribbean flashlight fish, Kryptophanaron alfredi / M. G. Haygood, D. H. Cohn // Gene. – 1986. – Vol. 45, № 2. – P. 203–209.
  • Johnston T. C. Nucleotide sequence of the luxB gene of Vibrio harveyi and the complete amino acid sequence of the alpha subunit of bacterial luciferase / T. C. Johnston, R. B. Thompson, T. O. Baldwin // The Journal of Biological Chemistry. – 1986. – Vol. 261, № 11. – P. 4805–4811.
  • Yellow light emission of Vibrio fischeri strain Y-1: purification and characterization of the energy-accepting yellow fluorescent protein / S. C. Daubner, A. M. Astorga, G. B. Leisman, T. O. Baldwin // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 1987. – Vol. 84, № 24. – P. 8912–8916.
  • Purification of the yellow fluorescent protein from Vibrio fischeri and identity of the flavin chromophore / P. Macheroux, K. U. Schmidt, P. Steinerstauch [et al.] // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 1987. – Vol. 146, № 1. – P. 101–106.
  • Szittner R. Nucleotide sequence, expression, and properties of luciferase coded by lux genes from a terrestrial bacterium / R. Szittner, E. Meighen // The Journal of Biological Chemistry. – 1990. – Vol. 265, № 27. – P. 16581–16587.
  • Contribution of folding steps involving the individual subunits of bacterial luciferase to the assembly of the active heterodimeric enzyme / T. O. Baldwin, M. M. Ziegler, A. F. Chaffotte, M. E. Goldberg // The Journal of Biological Chemistry. – 1993. – Vol. 268, № 15. – P. 10766–10772.
  • Purified native subunits of bacterial luciferase are active in the bioluminescence reaction but fail to assemble into the alpha beta structure / J. F. Sinclair, J. J. Waddle, E. F. Waddill, T. O. Baldwin // Biochemistry. – 1993. – Vol. 32, № 19. – P. 5036–5044.
  • Petushkov V. N. The yellow bioluminescence bacterium, Vibrio fischeri Y1, contains a bioluminescence active riboflavin protein in addition to the yellow fluorescence FMN protein / V. N. Petushkov, B. G. Gibson, J. Lee // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 1995. – Vol. 211, № 3. – P. 774–779.
  • Three-dimensional structure of bacterial luciferase from Vibrio harveyi at 2.4 A resolution / A. J. Fisher, F. M. Raushel, T. O. Baldwin, I. Rayment // Biochemistry. – 1995. – Vol. 34. – P. 6581–6586.
  • Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods. – Hackensack, NJ : World Scientific Publishing, 2006.
  • Chemiluminescence and bioluminescence : past, present and future / ed. by A. Roda. – Cambridge : Royal Society of Chemistry, 2010.
Материалы портала bigenc.ru переданы в ведение АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ» на основе лицензионного соглашения. Возможны неточности в отображении материалов. Если у вас возникли вопросы или вы увидели ошибку, пожалуйста, сообщите нам на info@ruwiki.ru