В поисках формулы живого света
-Максим Анатольевич, вы занимаетесь исследованиями биолюминесценции. Чем эта тема привлекла вас?
— Исследование биолюминесценции — это работа трёх научных групп, в кооперации. Биологи находят организмы, которые светятся, и пытаются из них что-то достать, химики-аналитики должны понять, что это за вещество, а задача химиков-синтетиков — синтезировать это вещество в лаборатории. Я как раз химик-аналитик, то есть человек, которому можно принести неизвестно что в пробирке и задать вопрос: «А что там?»
Аналитических методов, которые позволяют определить пространственную структуру вещества, у нас не так уж много: есть ЯМР-спектроскопия, есть рентгеноструктурный анализ. Рентгеноструктурный анализ используют, если удалось закристаллизовать молекулу. А ЯМР (ядерный магнитный резонанс. — Прим. ред.) работает, если есть чистое вещество в достаточных количествах. Как показывает мой опыт, достаточно десятков микрограммов чистой материи, чтобы было о чём говорить.
В 2012 году мне впервые принесли пробирку, в которой находилось что-то из светящихся червяков. Там было очень мало вещества, я чуть не разбил пробирку, и это «что-то» чуть не вылилось на пол. Но снял спектр и после некоторых сложностей «нарисовал» формулу. Когда, глядя на спектры, прикидываешь формулу, то в чём-то уверен, а в чём-то нет. Поэтому дальше в работу вступают химики, которые по картинке, которую я набросал, пытаются это вещество получить и проверить, будет ли оно в какой-то тест-системе светиться.
Сейчас я руководитель гранта РНФ (Российского научного фонда. — Прим. ред.) по биолюминесцентной системе Henlea sp. Началась эта работа с того, что мои коллеги из Красноярска, из Института биофизики Сибирского отделения РАН Валентин Петушков и Наталья Родионова обнаружили в Сибири светящихся червей, описали их и отправили в Италию ведущему специалисту в области зоологии почвенных червей Эмилии Рота (Emila Rota). Она ознакомилась с образцами и дала латинское название по фамилиям первооткрывателей. Теперь эти черви так и называются: один вид — Henlea petushkovi, другой — Henlea rodionovae1.
1 Rota E., Martinsson S., Erséus C. Two new bioluminescent Henlea from Siberia and lack of molecular support for Hepatogaster (Annelida, Clitellata, Enchytraeidae), Org. Divers. Evol. 18 (2018) 291—312.
— Это почётно, когда в честь тебя называют червей?
— Это круто! Валентин и Наталья годами собирали этих червей. В Сибири, кстати, было два вида светящихся червей: Fridericia и Henlea. Они очень похожи, одни побольше, другие поменьше. Поначалу даже какие-то эксперименты не получались, один человек делает — светится, другой делает — не светится. Почему? Потому что кто-то брал червяков пожирнее, и у них одна система биолюминесценции, а другой выбирал помельче, а там другая система. Тоже какое-то время потратили, чтобы посмотреть внимательнее и убедиться, что это разные черви.
— Системы биолюминесценции отличаются даже внутри вида?
— Внутри вида они обычно одинаковые, а выше по классификации — разные. Сейчас биолюминесцентных систем в мире известно от 30 до 50. При этом опубликовано химических структур люциферинов только десять, из них три — работы нашего института, а все остальные — очень старые, последняя, по-моему, 1987 года. Такие публикации вообще появляются очень редко, потому что открытие биолюминесцентных систем — огромный труд и большое событие в науке.
— Зачем эти организмы светятся? Черви — они ведь под землёй живут, их там всё равно никто не видит. Это лишние энергозатраты, им, казалось бы, ненужные, — а они светятся.
— Зачем светятся эти черви, мы не знаем. Наша задача — понять, как это свечение возникает и попытаться его использовать. Путём больших усилий мы можем извлечь молекулы, которые светятся, и ферменты, которые этот процесс катализируют, провести реакцию в пробирке, убедиться, что мы всё поняли правильно и сумели воспроизвести. Тогда можно сказать, что мы выяснили механизм биолюминесценции. Дальше нужно химически синтезировать люциферин, генетически получить фермент люциферазу — то есть взять ген и экспрессировать в подходящей системе2. И в итоге у нас в руках окажется новая аналитическая «штучка» — система, которая при определённых условиях будет давать свет.
2 «Экспрессировать ген в подходящей системе» означает методами генетической инженерии перенести изучаемый ген в организм, который сможет синтезировать большое количество белка, кодируемого этим геном. Обычно таким «белковым заводом» оказывается специализированный бактериальный штамм. Под системой подразумевается не только сама бактерия, но и та генетическая конструкция, которая позволит ввести чужеродный ген в бактериальную клетку и управлять его активностью.
— Чтобы использовать вместо фонарика?
— Скорее, как чувствительный «маячок», световой сигнал. Биолюминесценция очень эффективна в тест-системах. Её легко детектировать: нужен прибор со светонепроницаемой камерой и фотоэлектронным умножителем. Фотоумножитель чувствует гораздо более слабое свечение, чем можно увидеть глазом. Буквально считаные молекулы испустили по фотону, а детектор уже регистрирует сигнал.
Но такие системы очень сложно открывать. Вот нашли червяков, взяли одного, даже сумели воспроизвести что-то в пробирке, а с одного червяка люциферина для анализа мало. Например, для системы Fridericia heliota Валентин и Наталья перебирали около пятидесяти тысяч червяков. Возили мешки земли из тайги. Их там кусали комары, но каждый сезон они привозили мешки, а потом перебирали, выделяли отдельных червячков, замораживали. Девяносто граммов червяков — пять микрограммов люциферина. Это титанический труд, к нему мало кто готов. Но тот факт, что с пятью микрограммами мы получаем очень яркое свечение, позволяет нам сделать чувствительный аналитический метод.