Российские биологи расшифровали генетический «секрет» светящихся грибов
1787
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.
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.
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.
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
Источники
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Ученые выяснили, как светятся грибы. И создали светящиеся дрожжи
Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
Ученые выяснили, как светятся грибы. И создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые выяснили, почему светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Ученые придумали, как заставить светиться в темноте живые организмы
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Сибирские ученые создали светящиеся дрожжи. Технологию можно использовать для визуализации передвижения раковых клеток
Российские биологи нашли способ заставить любой организм светиться в темноте
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
СВЕТЯЩИЕСЯ ГРИБЫ СТАНУТ ФОНАРИКОМ ДЛЯ ВРАЧЕЙ
Ферменты из светящихся грибов заставили дрожжи засветиться
Ферменты из светящихся грибов заставили дрожжи засветиться
Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
Российские ученые смогут с помощью светящихся грибов обнаружить рак
Ферменты из светящихся грибов заставили дрожжи засветиться
Российские ученые смогут с помощью светящихся грибов обнаружить рак
Российские ученые смогут с помощью светящихся грибов обнаружить рак
Ученые нашли способ делать клетки светящимися с помощью ферментов биолюминесцентных грибов
Российские биологи создали дрожжи, светящиеся в темноте: Яндекс.Новости
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Российские биологи создали дрожжи, светящиеся в темноте - новости на сегодня 27.11.2018
Гриб-светильник: ученые смогут создать живые предметы обихода
Красноярские ученые заставили светиться дрожжи
Красноярские ученые заставили светиться дрожжи
Красноярские ученые заставили светиться дрожжи
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые создали светящиеся дрожжи
Красноярские ученые создали светящие дрожжи
В Красноярске ученые создали светящиеся дрожжи
Ученые выяснили, как светятся грибы, и создали светящиеся дрожжи
Ученые расшифровали биолюминесцентную систему грибов на генетическом и биохимическом уровнях
Светящиеся дрожжи красноярских ученых помогут в диагностике рака и создании лекарств
Светящиеся дрожжи красноярских ученых помогут в диагностике рака и создании лекарств
В Красноярске ученые создали светящиеся дрожжи
Российские биологи расшифровали генетический "секрет" светящихся грибов. Он заставит светиться кого угодно
Ученые ИБХ РАН узнали, как светятся грибы
Ученые ИБХ РАН расшифровали механизм свечения грибов и создали светящиеся дрожжи
Ученые ИБХ РАН расшифровали механизм свечения грибов и создали светящиеся дрожжи
Грибы -"светильники" помогут обнаружить рак
Российские биологи создали дрожжи, светящиеся в темноте
Светящиеся дрожжи вывели в красноярской лаборатории
Научный микроблог
Ученые из институтов РАН раскрыли тайну свечения лесных грибов-"гнилушек"
Ученые из институтов РАН раскрыли тайну свечения лесных грибов-"гнилушек"
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. 1928
-
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. 4199
-
21/01/2019
Ученые исследовали биологическую активность углеродных наноструктур
Ученые Института биофизики Сибирского отделения Российской академии наук и Сибирского федерального университета исследовали биологическую активность углеродных наноструктур искусственного и естественного происхождения. 1863
-
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. 1276
-
02/12/2019
Что скрывают лаборатории КНЦ СО РАН
180 дней, два человека и замкнутое пространство... В 1970-е годы в красноярском Академгородке был поставлен уникальный эксперимент. Учёные не только сконструировали автономную систему, которая в теории должна помочь людям жить на другой планете (помните сюжет фильма “Марсианин” с Мэттом Деймоном в главной роли?), но и успешно её испытали. 448
-
31/10/2019
Красноярские ученые ведут работы по созданию «идеальных» стентов из биополимеров
Коллектив красноярских исследователей из Сибирского федерального университета, Красноярского научного центра СО РАН и Красноярского центра сердечно-сосудистой хирургии ведет работы по созданию «идеальных» стентов из биополимеров. 704
-
24/12/2018
Ухудшение зрения может быть индикатором эмоционального выгорания
Российские ученые провели исследование, в ходе которого выяснили, что хронический стресс в форме профессионального выгорания изменяет контрастную чувствительность глаз. Благодаря полученным результатам ученые лучше поймут влияние хронического стресса на организм человека и смогут предложить новые, более быстрые способы диагностики профессионального выгорания. 1193
-
08/04/2019
Ученые расшифровали структуру молекулы, подходящей для лечения рака мозга
Российские ученые, используя уникальную экспериментальную базу Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", определили пространственную структуру аптамера (небольшого фрагмента молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК), способного распознавать опухолевые клетки мозга и доставлять непосредственно к ним медицинские препараты, сообщила РИА Новости пресс-служба Курчатовского института. 602
-
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. 2419
-
14/12/2018
Красноярские ученые оценили эффективность различных методик отбора образцов древесины для датировки
Экологи из Сибирского федерального университета (СФУ) оценили эффективность различных методик отбора образцов древесины для датировки и изучения климата прошлого. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда (1, 1). 1717