Бытует мнение, что биолюминесценция — это достаточно редкое явление, но это не так. В принципе, на суше обитают биолюминесцентные виды — это, как правило, светляки, грибы, черви и бактерии, но в основном биолюминесценция распространена в море. Многие плавали ночью в море и видели, как море может светиться. Но на поверхности живет только малая часть светящихся организмов. Основная часть биолюминесцентных организмов обитает на глубине, то есть там, куда фактически не попадает свет.
На самом деле никто толком не знает, для чего это явление нужно в природе. В некоторых случаях это можно объяснить функцией коммуникации, функцией защиты организма, который обладает биолюминесценцией. Но это на самом деле пока предположения. На мой взгляд, для чего биолюминесценция нужна организмам, окончательно не ясно, хотя существует множество гипотез.
Среди морских организмов большая группа организмов использует в качестве субстрата биолюминесценции так называемый целентеразин — это органическая молекула, окисление которой с помощью специфических белков приводит к излучению кванта света.
Чем интересны эти биолюминесцентные системы, которыми занимаются многие группы, в том числе наша лаборатория? Дело в том, что эта молекула используется разными организмами, которые происходят из различных таксонов, начиная, условно говоря, с медуз и даже более простых существ и заканчивая некоторыми рыбами. Все они используют в качестве субстрата биолюминесценции одну молекулу — целентеразин. Самое интересное заключается в том, что белки, которые они используют (люциферазы, фотопротеины), — они все разные. То есть в зависимости от организма, от таксона, куда входят эти биолюминесцентные организмы, используются разные белки, но один субстрат.
Почему мы это изучаем? Во-первых, это интересный природный феномен. Но почему другие люди и мы тоже изучаем? Потому что все эти биолюминесцентные белки являются прекрасными маркерами для различных медицинских и биомедицинских клеточных исследований.
Многие слышали о зеленом флюоресцентном белке, за который была в 2008 году присуждена Нобелевская премия. Фактически этот белок — один из компонентов биолюминесцентных систем. В принципе, сейчас зеленый флюоресцентный белок используют практически во всех биомедицинских исследованиях.
Те белки, которые в настоящее время клонированы из разных организмов, используются для визуализации внутриклеточных процессов. В отличие от зеленого флюоресцентного белка, для которого необходимо внешнее возбуждение, чтобы он флюоресцировал, биолюминесцентные белки этого не требуют, так как свет генерируется в результате биохимической реакции, которая катализируется ферментами. Сейчас создаются различные трансгенные линии животных клеток, более того, создаются различные трансгенные животные (например, мыши), которые необходимы для исследований. Когда снаружи подается субстрат биолюминесцентной реакции, то клетки, которые экспрессируют биолюминесцентный белок, начинают светиться и таким образом сообщают о тех процессах, которые происходят внутри клетки с помощью света.
В нашей недавней статье рассказано о результатах клонирования полученной из мелких морских рачков люциферазы, которая окисляет целентеразин как субстрат биолюминесцентной реакции и генерирует при этом свет. Это секретируемая люцифераза. Такого типа люциферазы очень востребованы также в различных биомедицинских исследованиях. Это заключается в том, что когда она экспрессируется, допустим, в клеточной культуре животных клеток, то люцифераза, в силу того, что она секретируемый природный фермент, секретируется в культуральную среду. Получается, что, фактически измеряя активность этого фермента в культуральной среде, вы можете, не разрушая клетки, оценивать различные клеточные активности опять же по интенсивности биолюминесценции, которую вы потом измеряете с помощью специальных приборов.
Я считаю, что на сегодняшний момент изучено не более 1% биолюминесцентных организмов, которые вообще существуют в природе, для которых расшифрованы, клонированы люциферазы, полностью поняты механизмы биолюминесценции. Остальные организмы практически не исследованы. Поэтому в этой области стоит ожидать и открытия новых люцифераз, и открытия новых субстратов, и разработок на основе этих систем каких-то новых аналитических систем, например, для нужд клеточной биологии.
