Біолюмінесценція: коли життя світиться в темряві
Літнього вечора спалахує світляк; опівночі в океані блакитним світлом сяє хвиля, що розбивається; глибоко під поверхнею вудильник погойдує живий ліхтар. Усе це — біолюмінесценція — світло, що утворюється безпосередньо хімічною реакцією всередині живого організму, майже без втрати енергії у вигляді тепла. Це найефективніший з відомих процесів утворення світла. У цій статті розкрито хімію, яка змушує живі істоти світитися, фізику того, наскільки насправді ефективне це світіння, і те, як запозичення цих молекул змінило сучасну біологію.
1. Реакція люциферин-люцифераза
Біолюмінесценція за своєю суттю є реакцією окиснення. Невелика світловипромінювальна молекула, узагальнено звана люциферином, окиснюється молекулярним киснем за допомогою ферменту, який називається люциферазою. Продукт, збуджений оксилюциферин, релаксує до основного стану, випромінюючи фотон, а не виділяючи тепло.
«Люциферин» — це назва класу, а не окремої сполуки: люциферин світляків, бактеріальний люциферин (відновлений флавін, FMNH₂, що працює з довголанцюговим альдегідом), люциферин динофлагелят (тетрапірол, похідний хлорофілу) і целентеразин (використовується медузами та багатьма морськими тваринами) — хімічно дуже різні молекули, що сходяться на одному й тому самому прийомі: накопичити хімічну енергію, вивільнити її як один фотон.
Випромінюваний колір залежить від точної структури збудженого оксилюциферину та його мікросередовища в активному центрі ферменту. Один і той самий люциферин світляка може випромінювати зелене або червоне світло залежно від невеликих змін у люциферазі, чим пояснюється діапазон кольорів світіння у різних видів жуків.
2. Квантовий вихід: світло без тепла
Визначальна риса біолюмінесценції — її ефективність. Квантовий вихід Φ вимірює, скільки фотонів утворюється на кожну молекулу люциферину, що прореагувала:
Оскільки так мало енергії втрачається у вигляді тепла, біолюмінесценція іноді є найефективнішим у природі перетворенням хімічної енергії на видиме світло. Причина, через яку вона може досягати таких високих значень виходу, полягає в тому, що хімія спрямовує майже всю вивільнену енергію в єдиний електронно-збуджений продукт, а цей збуджений продукт є хорошим флуорофором — він «віддає перевагу» втрачати енергію випромінювально (як фотон), а не через коливання (тепло).
3. Огляд організмів, що світяться
Світляки
Світляки використовують описану вище ATP-залежну реакцію, утворюючи точно розраховані спалахи для сигналізації партнеру. Різні види використовують окремі патерни спалахів як мову залицяння, а деякі хижі самиці імітують спалахи інших видів, щоб заманити й з'їсти самців.
Динофлагеляти
Блакитне світіння хвиль, що розбиваються, і «молочних морів» походить від одноклітинних динофлагелят. Механічне збурення — хвиля, риба, що пливе, весло — викликає швидкий спалах протягом мілісекунд, адаптацію, яка, імовірно, лякає хижаків або діє як «сигналізація для злодіїв», яка приваблює більших тварин з'їсти того, хто турбує клітину.
Вудильники та глибоководні тварини
У глибокому океані, де понад 75% тварин біолюмінесцентні, глибоководний вудильник утримує колонію симбіотичних світних бактерій у м'ясистій принаді (есці), що звисає над його ротом. Риба забезпечує бактерій поживними речовинами й киснем; бактерії дають світло, що приваблює здобич на відстань удару. Інші глибоководні тварини використовують світло для контр-освітлювального маскування, зливаючи свої силуети з тьмяним світлом зверху.
4. Кворум-сенсинг у бактерій
Світні бактерії Vibrio fischeri світяться лише коли скупчені разом. Одна бактерія, що виробляє світло, просто витрачала б енергію даремно, тому клітини координуються за допомогою кворум-сенсингу — хімічного перепису. Кожна клітина безперервно виділяє невелику сигнальну молекулу, яка називається автоіндуктором (ациллактон гомосерину).
Це перемикач зі зворотним зв'язком: коли популяція зростає, автоіндуктор накопичується, і як тільки він перевищує поріг, він зв'язується з регуляторним білком LuxR, який вмикає весь світлотворний оперон lux — включно з подальшим синтезом автоіндуктора, створюючи різку відповідь за принципом «все або нічого». Виявилося, що кворум-сенсинг є загальною бактеріальною «мовою», що застосовується далеко за межами виробництва світла — контролюючи утворення біоплівки й вірулентність, що робить його важливою мішенню для нових антибактеріальних стратегій.
5. GFP і революція біовізуалізації
Найбільша наукова віддача від вивчення організмів, що світяться, прийшла від медузи Aequorea victoria. Вона містить білок екворин, що випромінює синє світло, і другий білок, зелений флуоресцентний білок (GFP), що поглинає це синє світло і перевипромінює його зеленим. GFP примітний тим, що формує власний світловипромінювальний хромофор із власних амінокислот — йому не потрібен жоден доданий кофактор.
Саме ця самодостатність зробила GFP переломним відкриттям. Дослідники можуть злити ген GFP з майже будь-яким геном, що їх цікавить, і клітина створить світну версію цього білка. Під мікроскопом можна потім спостерігати, де і коли білок утворюється, куди він рухається і скільки його є — все це всередині живої клітини.
Окрім GFP, люцифераза світляків використовується як «репортер» для зчитування активності генів і для візуалізації пухлин у живих тваринах, оскільки світло, яке вона утворює, проходить крізь тканину і може бути вловлене чутливими камерами. Реакція, що еволюціонувала, щоб допомогти жуку знайти партнера, тепер дозволяє науковцям спостерігати, як гени вмикаються й вимикаються всередині живого тіла.