Ученые, наконец, объяснили все детали разноцветного свечения, которым радуют нас светлячки в ночном лесу.

Сегодня известно более 2 тыс. видов светлячков — строго говоря, этих мягкокожих жуков стоит называть светляками, представителями семейства Lampyridae. Более всего они, конечно, известны, своей замечательной способностью светиться в темноте — иначе говоря, биолюминесценцией. Этот романтический феномен жучки используют для связи друг с другом и, конечно, привлечения половых партнеров.

Биолюминесценция светляков связана с особым пигментом — люциферином (не пугайтесь его названия; оно связано не с прародителем зла, а с латинским словом «несущий свет»). Окисляясь под воздействием специального фермента, этот пигмент испускает избыток энергии в виде света. Кстати, КПД этого свечения удивительно высок: если у обычных ламп накаливания он составляет около 5% (остальное уходит в тепло), то у светлячков в свет переходит от 87 до 98% энергии.

Цвет биолюминесценции люциферина у светляков может быть самым разным — от красного через желтый и до зеленого. Однако химические и физические основы этого красочного спектра до сих пор оставались загадкой. Действительно, если у всех светляков одни и те же пигменты и одни и те же белки, «работающие» с ними, то чем объяснить то, что одни «выдают» насыщенный красный свет, а другие — бледно-зеленый?

Лишь недавно этому явлению предложено объяснение. Группа ученых из Пекина, работающих во главе с Изабель Навизе (Isabelle Navizet), исследовала изменение окраски свечения, которое демонстрируют жучки японского водяного светляка Luciola cruciata. Сочетая возможности рентгеноструктурного анализа с компьютерным моделированием, ученые показали, что изменение цвета (то есть — длины волны) испускаемого люциферином света определяется тонкими изменениями в полярности внутри люминесцирующей системы.

Ранее считалось, что ключ к пониманию этого явления лежит в особенностях фермента-люциферазы, который в присутствии АТФ и ионов магния катализирует окисление люциферина. Ученые полагали, что структурно фермент способен менять размеры своей каталитической «полости», в которой проходит реакция. Увеличение ее приводит к большим потерям энергии — и, как следствие, к более длинноволновому (красному) свечению, и наоборот.

Однако Изабель Навизе и ее команда показали, что эта теория неспособна адекватно описать изменения цвета свечения. Они выяснили, что цвет может определяться мельчайшими изменениями в распределении заряда внутри этой каталитической полости. В свою очередь, на полярность этого участка белка влияет как его форма, так и число заключенных в активный фрагмент молекул воды. Ученые вызывали избирательные мутации, приводящие к смене набора аминокислот, формирующих эту полость, и «заставляли» жучков светиться нужным цветом.

Такое забавное исследование может иметь ряд важных практических последствий. Достаточно сказать, что благодаря способности вызывать биолюминесценцию белок-люцифераза очень широко используется в качестве маркера при изучении и контроле различных биохимических реакций и процессов. Теперь же эти индикаторами можно сделать куда более совершенными и создать целые системы, выдающие разные сигналы в ответ на разные параметры прохождения реакции.

Можно вспомнить и тот факт, что генная инженерия позволяет сегодня включать люциферин в самые неожиданные организмы и создавать светящихся в темноте рыбок или новогодние елочки. Впрочем, об этом мы уже писали в заметке «Волшебная палочка».

По публикации PhysOrg.Com