​Российские биологи идентифицировали все гены, ответственные за биолюминесценцию светящегося гриба. Воссоздание путей синтеза необходимых для этого компонентов — люциферазы и люциферина — в дрожжевых клетках заставило их излучать свет, видимый невооруженным глазом. Кроме того, авторы статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences показали, что новая люцифераза из гриба отлично работает в качестве репортерного белка в бактериях, эмбрионах лягушки и опухолевых клетках при добавлении субстрата в среду.

Множество видов живых организмов способны испускать видимый свет за счет биолюминесценции. Светиться им позволяет фермент люцифераза, которая окисляет субстрат люциферин. Эти основные компоненты могут быть разными по структуре — так, всего известно около 40 биолюминесцентных систем, включающих семь различных семейств люцифераз. Тем не менее, полное описание системы свечения, то есть идентификация генов, кодирующих люциферазу и пути синтеза люциферинов, определение структуры этих компонентов, было сделано только для бактериальных систем.

Люцифераза активно используется в биотехнологии в качестве репортерного белка, так как свечение удобно детектировать. Чаще всего для этого используется люцифераза светлячка (например, мы рассказывали, как японские нейробиологи использовали модифицированную люциферазу для наблюдения за активностью нейронов в мозге животных). Однако в этих случаях субстрат, то есть люциферин, каждый раз нужно добавлять извне.

Ученые из Института биоорганической химии РАН под руководством Ильи Ямпольского изучают системы биолюминесценции, которые можно было бы воссоздавать в модельных организмах и заставлять их светиться самостоятельно без добавления субстрата (так, среди авторов статьи учредители компании Planta, которая занимается выращиванием генно-инженерных светящихся растений). Бактериальные системы для этого не подходят.

Два года назад ученым удалось расшифровать химическую структуру компонентов пути синтеза люциферина из вьетнамского светящегося гриба Neonotopanus nambi и установить, что грибной люциферин это 3-гидроксигиспидин, который через несколько промежуточных стадий образуется из кофейной кислоты — обычного метаболита растений. Тем не менее, для воссоздания пути синтеза в других организмах необходимо было идентифицировать гены, кодирующие ферменты синтеза, и саму люциферазу гриба.

 
 

Для решения последней задачи библиотеку всех генов Neonotopanus nambi экспрессировали в дрожжах, а на выросшие колонии брызгали люциферином. Из светящихся колоний выделяли ДНК и определяли последовательность грибного гена, ответственного за свечение. Оказалось, что грибная люцифераза кодируется геном nnLuz и не похожа на другие люциферазы, то есть представляет новое семейство.

Исследователи также полностью отсеквенировали геном Neonotopanus nambi и посмотрели, какие гены расположены по соседству с nnLuz. Среди соседей люциферазы они обнаружили два гена, предположительно кодирующих ферменты биосинтеза 3-гидроксигиспидина из кофейной кислоты. Когда эти гены вместе с геном люциферазы и геном еще одного, уже известного фермента, экспрессировали в дрожжах, такие дрожжи оказались способны светиться в темноте (при условии, что в среду добавляли кофейную кислоту, так как сами дрожжи ее не синтезируют). На следующем этапе в полученные модифицированные дрожжи дополнительно встроили три гена синтеза кофейной кислоты из тирозина, в результате чего они уже смогли светиться самостоятельно, без добавления субстратов.

Чтобы проверить, можно ли грибную люциферазу использовать в качестве репортерного белка в других клетках, исследователи проверили ее работу в бактериях, эмбрионах шпорцевой лягушки и клетках человека. Кроме того, ее сравнили с уже использующейся в биологии люциферазой светлячка по способности "метить" опухолевые клетки в организме мыши, и выяснили, что люцифераза гриба работает не хуже. Таким образом, ученые не только раскрыли генетическую основу биолюминесценции грибов, но и показали применимость найденной системы в биотехнологии и биомедицине.

Исследование биолюминесценции грибов началось в красноярском Институте биофизики СО РАН с участием Нобелевского лауреата Осаму Шимомура, который открыл зеленый флуоресцентный белок медузы. Довести работу до логического завершения удалось уже под руководством Ямпольского в ИБХ РАН. В работе также приняли участие ученые из Австрии, Испании, Бразилии, Англии и Японии.
Дарья Спасская

 
****
Ученые выяснили, как светятся грибы. И создали светящиеся дрожжи

 

Ученые Института биоорганической химии РАН и ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН вместе с российскими и иностранными коллегами полностью описали механизм, позволяющий грибам светиться в темноте. Испускание света обеспечивают всего четыре фермента, перенос которых в любые другие организмы делает их светящимися. Чтобы это проиллюстрировать, авторы создали светящиеся в темноте дрожжи. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Некоторые живые организмы способны светиться за счет протекания особых химических реакций. Такие организмы называют биолюминесцентными, к ним относятся светлячки, медузы, черви и другие. Эту способность они используют для привлечения добычи, отпугивания хищников, общения или маскировки. Сегодня ученым известно о существовании тысяч видов различных светящихся организмов, совокупно использующих около сорока различных химических механизмов для испускания света. Большая часть этих механизмов не изучена совсем или же изучена лишь частично.

Расшифровка механизма свечения грибов стала возможной благодаря многолетним предшествующим исследованиям. Еще в начале XIX века было установлено, что источник свечения гниющего дерева – грибница. В 2009 году Андерсон Оливейра и Кассиус Стевани, соавторы настоящей работы, определили, что все светящиеся грибы испускают свет благодаря единому механизму, а в 2015-2017 годах российские ученые под руководством Ильи Ямпольского совершили ряд ключевых открытий, в том числе определили структуру люциферина – молекулы, окисление которой приводит к испусканию света.

В ходе нового исследования ученые обнаружили в грибах все ферменты, необходимые для производства этой молекулы, а также фермент, благодаря которому происходит испускание света.

Исследователи протестировали работу фермента люциферазы, запускающего реакцию свечения, в различных типах клеток, включая человеческие раковые клетки и эмбрионы шпорцевой лягушки. Во всех случаях результат был положительный: внедренный ген работал в выбранных клетках, и после добавки люциферина наблюдалось свечение. Именно люцифераза часто используется в медицинской диагностике или экологическом мониторинге.

«Если вы понимаете, как устроена биолюминесцентная система, то можете добавить в пробирку необходимые компоненты и увидеть свечение. Важным этапом работы было выделение основных ферментов системы свечения грибов – люциферина и люциферазы. Нам удалось это сделать, используя комбинацию аналитических методов, что и позволило "разобрать" всю систему на составляющие», – рассказывает один из участников исследования, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биофизики СО РАН (Красноярск) Константин Пуртов.

Система свечения грибов оказалась на удивление простой. Она близка к обычным путям обмена веществ живых организмов. Ученые обнаружили ферменты, осуществляющие в клетках грибов «цикл кофейной кислоты», – каскад реакций, приводящих к биосинтезу люциферина и испусканию света. Работа этих ферментов необходима и достаточна для того, чтобы сделать светящимся любой организм, клетки которого производят кофейную кислоту. А для организмов, не содержащих этого вещества, свечения можно добиться добавлением еще двух ферментов, что авторы продемонстрировали, создав светящиеся в темноте дрожжи.

«Мы обнаружили в грибах необходимые компоненты для создания своеобразного генетического модуля, обеспечивающего биолюминесценцию: перенося его из генома в геном, мы можем сделать практически любой организм светящимся, что раньше было недостижимой целью для исследователей», – пояснил первый автор статьи Алексей Котлобай, сотрудник Лаборатории химии метаболических путей ИБХ РАН (Москва).

По словам ученых, несмотря на то, что им удалось многое понять про генетику биолюминесценции грибов, самое интересное – впереди.

«Результаты этой работы открывают возможности как для новых фундаментальных исследований – например, в области экологии грибов или фотофизики ферментов – так и для разработки новых молекулярных технологий», – добавляет Юлиана Мокрушина, сотрудник Лаборатории биокатализа ИБХ РАН, делящий первое авторство в опубликованной статье.

Исследование началось много лет назад в Институте биофизики СО РАН, когда для выполнения работ по мегагранту в Красноярск приехал нобелевский лауреат Осаму Шимомура. Последующее объединение усилий красноярских ученых с коллегами из ИБХ РАН привело к прорыву в теме биолюминесценции.

«Это исследование – прекрасный пример того, насколько эффективной может быть совместная работа ученых разных специальностей из разных стран, из научных институтов и коммерческих компаний, – рассказал руководитель проекта Илья Ямпольский, заведующий отделом биомолекулярной химии Института биоорганической химии РАН. – Нам удалось не только понять генетику биолюминесценции грибов и проследить механизм ее эволюции, но еще и создать совершенно новый молекулярный инструмент для биотехнологии».

Например, новую систему можно будет использовать для более детальной и качественной визуализации таких биологических процессов, как миграция раковых клеток, а также при разработке новых лекарств.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из компании Планта, Института биофизики СО РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова, Сколковского института науки и технологий, Института науки и технологий Австрии, Лондонского института медицинских наук, Центра геномной регуляции (Испания), Университета Сан-Паулу (Бразилия) и Университета Чубу (Япония). Теоретическая и экспериментальная части работы поддержаны грантами Российского научного фонда.

 

Ученые выяснили, как светятся грибы. И создали светящиеся дрожжи.doc

В пробирке, созданные авторами исследования светящиеся дрожжи. Автор фото Сергей Шахов

Источники

Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Alter Vision (altervision.org), 27/11/2018
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
N+1 (nplus1.ru), 26/11/2018
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Mirtesen.sputnik.ru, 26/11/2018
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
1k.com.ua, 26/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы. И создали светящиеся дрожжи
Открытая наука (openscience.news), 27/11/2018
Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
Известия (iz.ru), 27/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы. И создали светящиеся дрожжи
Российская академия наук (ras.ru), 27/11/2018
Красноярские ученые выяснили, почему светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
НГС.Красноярск (ngs24.ru), 27/11/2018
Ученые придумали, как заставить светиться в темноте живые организмы
Dettka.com, 27/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
24ТОП.kz (24top.kz), 27/11/2018
Сибирские ученые создали светящиеся дрожжи. Технологию можно использовать для визуализации передвижения раковых клеток
Тайга info, 27/11/2018
Российские биологи нашли способ заставить любой организм светиться в темноте
Dni24.com, 27/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Проспект Мира (prmira.ru), 27/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
ИА 1-LINE (1line.info), 27/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Margust (gazeta-margust.ru), 27/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
46ТВ (46tv.ru), 27/11/2018
СВЕТЯЩИЕСЯ ГРИБЫ СТАНУТ ФОНАРИКОМ ДЛЯ ВРАЧЕЙ
Московский Комсомолец, 28/11/2018
Ферменты из светящихся грибов заставили дрожжи засветиться
Novostival.ru, 27/11/2018
Ферменты из светящихся грибов заставили дрожжи засветиться
Mensside.ru, 27/11/2018
Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
Российский научный фонд (рнф.рф), 27/11/2018
Российские ученые смогут с помощью светящихся грибов обнаружить рак
NewsRbk.ru, 27/11/2018
Ферменты из светящихся грибов заставили дрожжи засветиться
Индикатор (indicator.ru), 27/11/2018
Российские ученые смогут с помощью светящихся грибов обнаружить рак
Новости России (vestirossii.com), 27/11/2018
Российские ученые смогут с помощью светящихся грибов обнаружить рак
Московский Комсомолец (mk.ru), 27/11/2018
Ученые нашли способ делать клетки светящимися с помощью ферментов биолюминесцентных грибов
ТАСС, 27/11/2018
Российские биологи создали дрожжи, светящиеся в темноте: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 27/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Газета.Ru, 27/11/2018
Российские биологи создали дрожжи, светящиеся в темноте - новости на сегодня 27.11.2018
News2world.net, 27/11/2018
Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
The world news (theworldnews.net), 27/11/2018
Красноярские ученые заставили светиться дрожжи
Новости@Rambler.ru, 28/11/2018
Красноярские ученые заставили светиться дрожжи
Аргументы и Факты (krsk.aif.ru), 28/11/2018
Красноярские ученые заставили светиться дрожжи
Gorodskoyportal.ru/krasnoyarsk, 28/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Kgs.ru, 28/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
БезФормата.Ru Красноярск (krasnoyarsk.bezformata.ru), 28/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Новости@Rambler.ru, 28/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Сибирское агентство новостей (sibnovosti.ru), 28/11/2018
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
REDom (redom.ru), 28/11/2018
Красноярские ученые создали светящие дрожжи
Mirtesen.sputnik.ru, 28/11/2018
В Красноярске ученые создали светящиеся дрожжи
Столица 24 (stolitca24.ru), 28/11/2018
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Техника будущего (rao-ees.ru), 28/11/2018
Ученые расшифровали биолюминесцентную систему грибов на генетическом и биохимическом уровнях
Наука в Сибири (sbras.info), 28/11/2018
Светящиеся дрожжи красноярских ученых помогут в диагностике рака и создании лекарств
Наш Красноярский край (gnkk.ru), 28/11/2018
Светящиеся дрожжи красноярских ученых помогут в диагностике рака и создании лекарств
Gorodskoyportal.ru/krasnoyarsk, 28/11/2018
В Красноярске ученые создали светящиеся дрожжи
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 28/11/2018
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Nanonewsnet.ru, 28/11/2018
Ученые ИБХ РАН узнали, как светятся грибы
Управа района Коньково (konkovo.mos.ru), 28/11/2018
Ученые ИБХ РАН расшифровали механизм свечения грибов и создали светящиеся дрожжи
Коньково (konkovomedia.ru), 28/11/2018
Ученые ИБХ РАН расшифровали механизм свечения грибов и создали светящиеся дрожжи
MosDay.ru, 28/11/2018
Грибы -"светильники" помогут обнаружить рак
Newsinfo.ru, 28/11/2018
Российские биологи создали дрожжи, светящиеся в темноте
Наша Планета. Мир вокруг нас (nashaplaneta.su), 28/11/2018
Светящиеся дрожжи вывели в красноярской лаборатории
Sibnet.ru, 06/12/2018
Научный микроблог
ФСМНО (sciencemon.ru), 13/12/2018

Похожие новости

  • 08/07/2017

    Российские ученые получили чувствительные к малым дозам радиации белки

    Группа исследователей из Института биофизики СО РАН, Красноярского государственного аграрного университета, Сибирского федерального Университета (СФУ), а также МГУ им. М. В. Ломоносова разработала чувствительный к радиации белковый комплекс, сообщает пресс-служба СФУ.
    1032
  • 13/02/2018

    В Нью-Дели прошел Российско-индийский фестиваль науки

    ​В Нью-Дели прошел фестиваль науки, посвященный 30-летию сотрудничества России и Индии в атомной энергетике, сообщает пресс-служба компании "Русатом - Международная сеть". По инициативе госкорпорации "Росатом" с 6 по 9 февраля прошли мероприятия, лекции, презентации для учащихся.
    527
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    1964
  • 27/12/2017

    Исследователи реализуют проект, позволяющий исправлять мутации ДНК митохондрий

    ​В последнее время все чаще можно услышать о тяжелых наследственных заболеваниях митохондриальной этиологии. Эти недуги вызываются дефектами митохондрий, которые являются своеобразными "энергетическими станциями" клеток организма.
    985
  • 13/01/2017

    Лабораторные работы: ученые и инновации

    ​Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова совместно с научной группой под руководством Михаэля Гретцеля (EPFL, Швейцария) определили причину, по которой органо-неорганические перовскиты формируются в виде нанонитей.
    1844
  • 05/02/2016

    Красноярские ученые придумали, как выделять белки с помощью микросфер из угольной золы

    ​Ученые Института химии и химической технологии СО РАН и Института биофизики СО РАН на основе магнитных микросфер, полученных из летучих зол угля, создали эффективные многоразовые сорбенты для выделения биологических молекул.
    1711
  • 15/12/2017

    Академик Андрей Дегерменджи: жизнь в астероиде позволит снять целый комплекс проблем

    ​Андрей Георгиевич Дегерменджи - советский и российский ученый-биофизик, академик РАН (2011). Директор Института биофизики СО РАН с 1996 года - об исследованиях красноярских ученых  и системе жизнеобеспечения в экстремальных условиях .
    600
  • 10/12/2018

    Исследовано влияние лекарства от грибка на пшеницу

    ​Российские исследователи изучили токсические эффекты, которые противогрибковые препараты (фунгициды) оказывают на посевы пшеницы, зараженные плесневым грибом фузариумом. Результаты работы были опубликованы в журнале Plant Physiology and Biochemistry.
    189
  • 04/04/2018

    Подведены итоги оценки результативности научных организаций

    454 организации разделили по трем категориям. Чем отличились сельскохозяйственные институты, чему Минздраву стоит поучиться у ФАНО и в каком регионе больше всего институтов из третьей категории, читайте в материале Indicator.
    1549
  • 24/08/2016

    Сибирские и московские ученые создали тест на мутации у младенцев

    ​Новосибирские ученые вместе с московскими коллегами разработали систему диагностики иммунодефицита у новорожденных, ведутся переговоры с Росздравнадзором, чтобы зарегистрировать тест. Простую тест-систему для выявления первичных иммунодефицитов у детей разработали ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН совместно со специалистами московской детской больницы №9 имени Сперанского - самой большой детской клиники России, пишет "Наука из первых рук".
    1105