На главную

Биолюминесценция

Биолюминесце́нция (от био... и люминесценция), явление, обусловленное способностью некоторых живых организмов испускать свет. Является частным случаем хемилюминесценции. 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[1]). 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[2]), 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.[3], 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.[4], Plinius Maior. Naturalis Historia. IX. 87 / Plinius // Natural History / Pliny ; ed. by H. Rackham. – Cambridge, MA ; London, 1967. – Vol. 3. – P. 286–287[5]), описывавшего свечение морских организмов.

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[6]). Затем были получены первые препараты очищенного люциферина и его кристаллы (Bitler. 1957[7]), 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[8]), 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.

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[9]). Подтверждено существование нескольких десятков уникальных биолюминесцентных систем у различных групп организмов (Shimomura. 2019[10]). 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[11]).

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[12]).

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[13]).

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[14]; Widder. 1984[15]).

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[16]).

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:

Определены структуры 10 люциферинов и множества люцифераз (Shimomura. 2019[17]). 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[18]):

  • 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.

Примечания

  1. ↑ Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods / O. Shimomura. – Singapore : World Scientific Publishing, 2019.
  2. ↑ Аристотель. О душе. II. 7 / Аристотель // Сочинения. В 4 т / Аристотель ; ред. В. Ф. Асмус. – Москва : Мысль, 1976. – Т. 1. – С. 408–411.
  3. ↑ Plinius Maior. 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.
  4. ↑ Plinius Maior. 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.
  5. ↑ Plinius Maior. Naturalis Historia. IX. 87 / Plinius // Natural History / Pliny ; ed. by H. Rackham. – Cambridge, MA ; London, 1967. – Vol. 3. – P. 286–287.
  6. ↑ The luminescence of biological systems : proceedings / ed. by F. H. Johnson. – Washington : American association of the advancement of science, 1955.
  7. ↑ McElroy W. D. The preparation and properties of crystalline firefly luciferin / W.D. McElroy, B. Bitler // Archives of biochemistry and biophysics. – 1957. – Vol. 72, № 2. – P. 358–368.
  8. ↑ Shimomura O. Crystalline Cypridina Luciferin / Osamu Shimomura, Toshio Goto, Yoshimasa Hirata // Bulletin of the Chemical Society of Japan. – 1957. – Vol. 30, № 8. – P. 929–933.
  9. ↑ Kotlobay A. A. Palette of Luciferases: Natural Biotools for New Applications in Biomedicine / A. A. Kotlobay, Z. M. Kaskova, I. V. Yampolsky // Acta naturae. – 2020. – Vol. 12, № 2. – P. 15–27.
  10. ↑ Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods / O. Shimomura. – Singapore : World Scientific Publishing, 2019.
  11. ↑ Kleptoprotein bioluminescence: Parapriacanthus fish obtain luciferase from ostracod prey / M. Bessho-Uehara, Naoyuki Yamamoto, Shuji Shigenobu [et al.] // Science advances. – 2020. – Vol. 6, № 2. – P. 4942.
  12. ↑ Haddock S. H. D. Bioluminescence in the sea / S. H. D. Haddock, M. A. Moline, J. F. Case // Annual Review of Marine Science. – 2010. – Vol. 10, № 2. – P. 443–493.
  13. ↑ Haddock S. H. D. Bioluminescence in the sea / S. H. D. Haddock, M. A. Moline, J. F. Case // Annual Review of Marine Science. – 2010. – Vol. 10, № 2. – P. 443–493.
  14. ↑ Herring P. J. Red bioluminescence in fishes: on the suborbital photophores of Malacosteus, Pachystomias and Aristostomias / P. J. Herring, C. Cope // Marine Biology. – 2005. – Vol. 148, № 2. – P. 383–394.
  15. ↑ Far Red Bioluminescence from Two Deep-Sea Fishes / E. A. Widder, M. I. Latz, P. J. Herring, J. F. Case // Science. – 1984. – Vol. 225, № 4661. – P. 512–514.
  16. ↑ Circadian control sheds light on fungal bioluminescence / A. G. Oliveira, C. V. Stevani, H. E. Waldenmaier [et al.] // Current biology. – 2015. – Vol. 25, № 7. – P. 964–968.
  17. ↑ Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods / O. Shimomura. – Singapore : World Scientific Publishing, 2019.
  18. ↑ Kaskova Z. M. 1001 lights: luciferins, luciferases, their mechanisms of action and applications in chemical analysis, biology and medicine / Z. M. Kaskova, A. S. Tsarkova, I. V. Yampolsky // Chemical Society reviews. – 2016. – Vol. 45, № 21. – P. 6048–6077.

Литература

  • Boyle R. New Experiments concerning the relation between light and air inshining wood and fish // Philosophical Transactions. – 1668. – Vol. 2. – С. 581–600.
  • Comptes rendus des séances de la Société de biologie. – 1885. – Vol. 2.
  • Plinius G. S. Liber IX, XLIII
  • Harvey E. N. The chemistry of light production in luminous organisms // Carnegie Institute. – 1917. – Vol. 251. – P. 171–234.
  • Harvey E. N. What substance is the source of the light in the firefly // Science. – 1917. – Vol. 46, № 1184. – P. 241–243.
  • McElroy W. D. The Energy Source for Bioluminescence in an Isolated System // Proceedings National Academy of Sciences of the USA. – 1947. – Vol. 33, № 11. – С. 342–345.
  • The luminescence of biological systems : proceedings / ed. by F. H. Johnson. – Washington : American association of the advancement of science, 1955.
  • McElroy W. D. The preparation and properties of crystalline firefly luciferin / W. D. McElroy, B. Bitler // Archives of biochemistry and biophysics. – 1957. – Vol. 72, № 2. – P. 358–368.
  • Shimomura O. Crystalline Cypridina Luciferin / Osamu Shimomura, Toshio Goto, Yoshimasa Hirata // Bulletin of the Chemical Society of Japan. – 1957. – Vol. 30, № 8. – P. 929–933.
  • Far Red Bioluminescence from Two Deep-Sea Fishes / E. A. Widder, M. I. Latz, P. J. Herring, J. F. Case // Science. – 1984. – Vol. 225, № 4661. – P. 512–514.
  • Herring P. J. Red bioluminescence in fishes: on the suborbital photophores of Malacosteus, Pachystomias and Aristostomias / P. J. Herring, C. Cope // Marine Biology. – 2005. – Vol. 148, № 2. – P. 383–394.
  • Aristotle. On the soul / transl. by J. A. Smith. – [Whitefish] : Kessinger Publishing, 2010.
  • Haddock S. H. D. Bioluminescence in the sea / S. H. D. Haddock, M. A. Moline, J. F. Case // Annual Review of Marine Science. – 2010. – Vol. 10, № 2. – P. 443–493.
  • Circadian control sheds light on fungal bioluminescence / A. G. Oliveira, C. V. Stevani, H. E. Waldenmaier [et al.] // Current biology. – 2015. – Vol. 25, № 7. – P. 964–968.
  • Kaskova Z. M. 1001 lights: luciferins, luciferases, their mechanisms of action and applications in chemical analysis, biology and medicine / Z. M. Kaskova, A. S. Tsarkova, I. V. Yampolsky // Chemical Society reviews. – 2016. – Vol. 45, № 21. – P. 6048–6077.
  • Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods. – Singapore : World Scientific Publishing, 2019.
  • Kotlobay A. A. Palette of Luciferases: Natural Biotools for New Applications in Biomedicine / A. A. Kotlobay, Z. M. Kaskova, I. V. Yampolsky // Acta naturae. – 2020. – Vol. 12, № 2. – P. 15–27.
  • Kleptoprotein bioluminescence: Parapriacanthus fish obtain luciferase from ostracod prey / M. Bessho-Uehara, Naoyuki Yamamoto, Shuji Shigenobu [et al.] // Science advances. – 2020. – Vol. 6, № 2. – P. 4942.