Химики приручили биолюминесценцию грибов

Биолюминесценция представляет собой способность живых организмов активно испускать видимый свет и встречается у многих таксонов, включая насекомых, кишечнополостных, растений, бактерий, рыб и грибов. Как правило, химические реакции, которые лежат в основе феномена, протекают с участием трех классов веществ: оксилюциферинов, люцифераз и люциферинов. В общем случае свечение возникает в результате окисления люциферина люциферазой, что приводит к образованию возбужденных молекул оксилюциферина. Однако точный механизм биолюминесценции у разных организмов изучен недостаточно.

До 2014 года исследователям были известны семь различных люциферинов, затем химики из Сибирского федерального университета (СФУ) выделили восьмой тип пигмента из сибирского почвенного червя (Fridericia heliota). Спустя год в сотрудничестве с другими российскими учеными они также установили структуру люциферина, который встречается в биолюминесцентных грибах. В новой статье совместно с коллегами из Бразилии и Японии авторы полностью восстановили механизм такого свечения. Важным шагом послужило определение структуры оксилюциферина, что требовало получения большого количества материала.

Поскольку окисление люциферина до оксилюциферина предполагает наличие белкового фермента, команда выделяла люциферазу из биолюминесцентного гриба Neonotopanus nambi. Чтобы воспроизвести естественный процесс свечения, экстракт последнего смешивался с люциферином в присутствии кислорода. Результаты показали, что продукт такого окисления неустойчив, поэтому авторы оценивали его строение по особенностям распада в рамках реакции. Один из наиболее примечательных выводов был получен в эксперименте с тяжелым изотопом кислорода — кислородом-18, в присутствии которого окислялся люциферин.

Это позволило прояснить механизм биолюминесценции: выяснилось, что помимо известных промежуточным продуктом окисления люциферина является органический пероксид. Кроме того, ученым удалось изменить цвет свечения грибов. Молекула люциферина, который встречается среди представителей этого царства, включает в себя две основные части: неизменяемый ароматический фрагмент и пираноновое ядро, подверженное окислению. Изменение цвета (с желто-зеленого) вызывала замена последнего — например, бензольного кольца на нафталиновый (синий) или индольный фрагмент (оранжевый).

По словам авторов, конечным продуктом распада люциферина грибов оказалась кофейная кислота, также характерная для растений, причем она способна вновь превращаться в исходный люциферин.

Статья опубликована в журнале Science Advances.

Ранее американские океанологи подсчитали количество морских биолюминесцентов. Выяснилось, что подавляющее большинство таких организмов могут испускать свет вне зависимости от глубины обитания.