Страница 5 из 44
А началась история этого открытия очень давно – еще в конце XVIII века* В то время датский ученый и путешественник Форскал описал небольшую медузу, «способную светиться внутри», которую он назвал «экворея». Прошло почти два столетия, прежде чем была установлена причина свечения: светится особый белок, названный экворином. С конца 1960-х его стали широко использовать для исследований как сверхчувствительный индикатор ионов кальция в живых структурах. В частности, при введении его в мышцы усоногих рачков удалось доказать, что в основе мышечного сокращения лежит выброс ионов кальция.
Однако, как оказалось, в свечении медуз участвует не только экворин, но и еще одно вещество, названное «зеленым флуоресцирующим белком». При попадании на него синих лучей он испускает яркий зеленый свет – флуоресцирует. Когда изучили его структуру оказалось, что это настоящее чудо природы. После синтеза в рибосоме «зеленый флуоресцирующий белок» сворачивается в виде причудливой «клетки», а внутри нее, словно попугай, располагается хромофорное кольцо, от которого и зависит свечение. Оказалось, что «клетка с попугаем» очень устойчива – сохраняет способность светиться в разных условиях, да и вообще «зеленый флуоресцирующий белок» – очень удобный объект для исследования. Начался шум. Было сделано более шести тысяч работ с применением этого белка в качестве генетического маркера.
В конце 1990-х вместе с сотрудниками лаборатории С.А. Лукьянова в Институте биоорганической химии РАН и с А.П. Савицким из Института биохимии РАН мы стали искать: нет ли других организмов (кроме медузы), обладающих подобными светящимися белками? Возникла идея поработать с одним из видов актиний, не проявляющим явного свечения. Первое время работа казалась безрезультатной. Мы были похожи на Балаганова, который пилит гири: «Пилите, Шура, они золотые» – вот о чем думалось. И поиск был успешным. Нам удалось клонировать гены, продукт которых представлял собой новую разновидность «зеленого белка». В конце концов, было обнаружено множество разноцветных оптически активных белков. Мы словно напали на золотую жилу, получив целое семейство генов, кодирующих экзотическую окраску морских животных. Кстати, за живностью не потребовалось ехать в тропики – все нашлось у московских аквариумистов. Вы знаете, что Москва – мировая столица морских аквариумов?
– Все же мы привыкли думать, что «цвета жизни» обусловлены пигментами, в первую очередь-растительными, которые заодно окрашивают многих морских животных (за счет обитающих в их тканях водорослей), и даже шерсть некоторых зверей (скажем, ленивцев или белых медведей).
– Действительно, долгое время считалось, что окраску задают пигменты – низкомолекулярные соединения. Но оказалось, что есть множество белков, то есть куда более сложных молекул, влияющих на окраску, например тех же стрекающих. Причем небольшие изменения в их структуре, вызванные мутацией гена, могут изменить оптические свойства. Тогда меняется цвет, усиливается или ослабевает свечение. Кстати, недавно сотрудники Института биоорганической химии РАН и Стэнфордского университета в США совместно открыли «мутант-таймер» – такую форму белка, которая после синтеза имеет зеленый цвет, а за 16 часов делается желтой и, наконец, красной (видимо, потому, что хромофорная группа «созревает» – окисляется). Вначале этот ген был «посажен» нами в кишечную палочку. А потом его перенесли в яйцеклетку лягушки. И уже можно увидеть воочию, как внутри эмбриона красными, желтыми и зелеными пятнами отображаются разные стадии развития тканей, видно, где экспрессия генов произошла раньше, а где – позже.
– Открываются широкие возможности.
– Наш успех в исследованиях «цветных белков» имеет не только биологическое значение: «Какие-то русские сделали открытие!» – так с удивлением отметил американец Роже Тсьен, один из мировых авторитетов в области клеточной биологии. Возможные перспективы наших исследований – выделить гены белков, которые светятся от свободных радикалов кислорода, и присоединить их к трансгенам (вирусам – переносчикам генов), что позволит прямо в нейронах, в мышцах и так далее наблюдать кинетику свободных радикалов кислорода в момент возбуждения клеток.
– Почему вы заговорили о кислороде?
– Потому что кислород – это ключ к пониманию роли «цветных белков» в эволюции. Сейчас я об этом расскажу.
– Итак, какова же роль оптически активных белков?
– Вообще, это открытие помог сделать эволюционный подход. Еще Чарльз Дарвин задумывался о том, как можно объяснить возникновение свечения под действием естественного отбора. У большинства морских тварей свечение предназначено для отпугивания хищников (скопление светящейся мелочи производит на них впечатление массивного чудовища) либо для привлечения брачного партнера. Но ведь светятся и древние организмы, особенно одноклеточные, которые возникли задолго до появления зрячих хищников. В частности, еще в 1970-х я обнаружил, что зеленая флуоресценция у гребневиков (это настоящие морские дирижабли – но только по отношению к планктону, которым они питаются) очень похожа на свечение «зеленого белка». То есть ее вызывает аналогичная система. А сейчас известно, что эволюционные пути гребневиков и стрекающих разошлись очень давно, еще в докембрийском «слепом» мире – до появления хищников с хорошо развитым зрением. Зачем же вообще яркие цвета слепым (или почти слепым) морским животным? Вероятно, у светящихся белков должна быть более древняя, универсальная функция.
Мы предположили, что эта функция – зашита от яркого света как причины образования активных форм кислорода. Дело в том, что для животных, например, кислород является источником жизни только в том случае, если он утилизируется митохондриями. В иных случаях кислород (а особенно его активные формы – свободные радикалы) предстает как мощный окислитель и разрушает молекулярные структуры жизни. Поэтому его надо нейтрализовать. Этим занимаются молекулы-антиоксиданты (к ним относится всем известная аскорбиновая кислота). Биолюминесцентные системы также участвуют в нейтрализации активных форм кислорода – именно при этом процессе и происходит излучение фотонов.
– То есть можно считать, что когда атмосфера насытилась кислородом, этим ядовитым продуктом фотосинтеза, эукариоты стали защищаться от него, в том числе люминесцентными белками?
– Это началось гораздо раньше. Уже в условиях бескислородной атмосферы живым клеткам приходилось защищаться от огромного количества активного кислорода. Вы спросите, откуда он брался? В то время Земля еще не имела защитной ионосферы и озонового слоя, поэтому мощное ультрафиолетовое излучение расщепляло молекулы воды (в которой сосредоточивалась жизнь) с образованием перекиси водорода и других активных соединений кислорода. Поэтому ко времени возникновения эукариот многие формы жизни (в том числе бактерии – предки митохондрий) были уже хорошо защищены от действия активного кислорода. Но, на самом деле, все еще сложнее: биолюминесцентньте комплексы оказались необходимы для защиты организма от активных форм кислорода, которые он же сам и производит!
– Для чего же производить столь опасный продукт ?
– Для зашиты от микробов, в первую очередь – от гнилостных бактерий. Вы никогда не задумывались, как организмам удается отражать их атаку при жизни? Иммунитет? Но ведь гуморальный иммунитет (когда во внутренней среде высока концентрация антител) хорошо развит только у теплокровных. А как защищаются беспозвоночные? Вот у Герберта Уэллса марсиане, легко одолевающие земные войска, были побеждены… гнилостными бактериями. А почему земные организмы не гниют при жизни? Оказывается, помимо работы специфического иммунитета действует поток свободных радикалов кислорода. Гнилостные бактерии его боятся. Если бы получили способность не бояться – съели бы все живое, а затем все мертвое, и их бы самих не стало. Поэтому в процессе эволюции они словно заключили соглашение: «пока живой – не гниет».