Дьявольское произведение или подарок природы?
Некоторые виды грибов способны светиться в темноте. На сегодняшний день известно более 100 видов светящихся грибов, распространенных по всему миру — от тропиков до умеренных широт. Однако точный биохимический механизм грибного свечения долгое время оставался невыясненным. Ранее считалось, что свечение грибов обеспечивается только ферментной системой гидроксилаза — люцифераза, однако механизм оказался гораздо сложнее. Красноярские ученые экспериментально доказали участие системы цитохрома P450 в механизме биолюминесценции высших грибов. Это исследование меняет представления о природе «живого света» и открывает перспективы для применения в биотехнологии, медицине и экологии, в частности, для создания новых биосенсоров. Результаты исследования опубликованы в журнале Asian Journal of Mycology. Об этой работе рассказывает Владимир Станиславович Бондарь, доктор биологических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией нанобиотехнологии и биолюминесценции Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН.
«Знание – сила»: В связи с чем и как началась ваша работа по биолюминесценции?
Владимир Бондарь: Инициатором изучения биолюминесценции грибов в нашем институте стал академик Иосиф Исаевич Гительзон, который предложил сотрудникам нашей лаборатории заняться исследованиями механизмов грибного свечения. Для реализации этой задачи требовалась команда разных специалистов-исследователей, имеющих опыт работы со светящимися живыми организмами. Сотрудники нашей лаборатории имели такой опыт и согласились участвовать в исследованиях грибной биолюминесценции. Надо сказать, что в нашем институте имелась уникальная коллекция культур светящихся организмов CCIBSO 836, которую курировали сотрудники нашей лаборатории. В составе коллекции имелось около 400 штаммов светящихся морских бактерий из разных районов Мирового океана; генно-модифицированные штаммы бактерий Escherichia coli, несущие гены люминесцентной системы природных светящихся бактерий; порядка 40 мицелиальных культур светящихся высших грибов, выделенных в разных климатических зонах планеты (Канада, Сибирь, Вьетнам, Малайзия и др.). Это стало важным подспорьем в работе.
«ЗС»: Как эта работа проводилась?
В. Б.: Мы начали изучать биолюминесценцию высших грибов при выполнении мегагранта (2011—2013 годы) Сибирского Федерального университета, руководителем проекта был нобелевский лауреат Осаму Шимомура. Он проявлял очень большой интерес к изучению механизмов грибного свечения. Надо сказать, что в выполнении мегагранта активное участие принимали коллеги из московского Института биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, которых к исследованиям привлек академик Гительзон. На момент начала нашей работы механизмы свечения высших грибов были во многом непонятны, а результаты исследований многих авторов неоднозначны и противоречивы. Тут уместно вспомнить французского ботаника и миколога Себастьяна Вайяна (Vaillant Sеbastien), который на рубеже XVII и XVIII веков сделал пророческое заявление: «Грибы – это дьявольское произведение, нарушающее общую гармонию природы, чтобы смущать самых талантливых исследователей и приводить в отчаяние молодых ботаников».
«ЗС»: Думаю, многие грибники с этим никак не согласятся. А вы с ним согласны?
В. Б.: Как заядлый грибник я, вероятно, тоже бы не стал соглашаться. А как исследователь – искренне благодарен Себастьяну Вайяну, и вот почему. Ведь он адресовал свое пророческое послание исследователям (в том числе и грядущих поколений), чтобы предостеречь их от ожидания легких побед в исследованиях представителей грибного царства и сообщить им о тех трудностях, которые их ожидают на этом пути. И у него были на то основания, поскольку он с гениальной прозорливостью разглядел особое положение царства грибов в живой природе, когда ничего не было известно ни о биохимии, ни о генетике. Это поразительное предвидение подтверждается развитием биологии, указывающим на равноудаленность царства грибов как от животных, так и от растений. Тот же механизм грибной биолюминесценции, который мы сегодня обсуждаем, свидетельствует в пользу этого особого положения грибов. Да, способностью излучать видимый свет грибы обладают наряду с бактериями и животными. (Интересно, что растения в природе такой способностью не обладают, но это тема для отдельного интервью.) Накопленные экспериментальные факты (в том числе и наши) указывают на то, что биохимический механизм этого феномена у грибов имеет принципиальные отличия.
«ЗС»: В чем же эти отличия?
В. Б.: Главное отличие состоит в том, что излучаемый грибами видимый свет есть результат функционирования разных ферментов и ферментных систем, окисляющих разные субстраты. А у иных светящихся организмов, например, бактерий, светляков, земляных червей излучение света обеспечивается работой одного фермента – люциферазы, который окисляет один субстрат – люциферин.
«ЗС»: Вы говорите о высших грибах. Что это значит?
В. Б.: Если коротко, согласно современной классификации, высшие грибы находятся в подцарстве Dicarya (Neomycota) царства Грибы (Fungi) и выделяются в два отдела (филума) – Ascomycota (16 классов) и Basidiomycota (15 классов). По строению мицелия высшие грибы имеют септированный мицелий – их мицелиальный (гифальный) таллом (грибное тело) состоит из тонких ветвящихся нитей (гиф), которые разделены имеющими отверстия перегородками (септами) на отдельные клетки – так называемый клеточный, или септированный, мицелий. При этом у низших грибов мицелий несептированный.
«ЗС»: Получается, свечение грибов известно ученому миру уже давно?
В. Б.: С одной стороны, излучение высшими грибами видимого в темноте света (биолюминесценция) было известно человечеству с древних времен. Как отмечал в своих работах Харвей (Harvey), это явление было описано еще Аристотелем в четвертом веке до нашей эры и Плинием Старшим в первом веке нашей эры. Однако первые пионерские работы, относящиеся к изучению биолюминесценции грибов, были сделаны только в первой половине XIX века. При этом следует заметить, что за последние два столетия исследователями было выявлено значительное количество видов светящихся грибов, большинство из которых принадлежит к классу базидиомицетов – высших грибов. В настоящее время известно более 100 видов базидиомицетов, обладающих видимым в темноте свечением. Светящиеся грибы распространены в разных регионах земного шара (Северная и Южная Америка, Европа, Азия, Австралия, Африка) и особенно часто встречаются в субтропической и тропической зонах с наиболее благоприятными условиями их обитания.
«ЗС»: Что они собой представляют?
В. Б.: Известно, что светящиеся базидиомицеты являются грибами белой гнили, способными к деградации лигнина, и, как правило, являются сапрофитами (реже патогенами) растений. На разных стадиях жизненного цикла они излучают зеленоватый свет с максимумом эмиссии 520—530 нм. При этом у некоторых видов наблюдается свечение всего плодового тела; у иных видов может светиться только шляпка, или только ножка, или только мицелий и ризоморфы. Например, у представителей родов Mycena и Omphalotus могут одновременно светиться мицелий и плодовые тела, а у видов рода Armillaria светятся только мицелий и ризоморфы.
«ЗС»: Удалось ли расшифровать механизм свечения?
В. Б.: Несмотря на то, что было обнаружено большое количество светящихся видов базидиомицетов, а изучение их биолюминесценции проводилось практически два столетия, структура люминесцентной системы и механизм светоизлучения высших грибов оставались загадкой, в отличие от биолюминесцентных систем бактерий и многих видов животных (жгутиковые, кишечнополостные, черви, насекомые, ракообразные, моллюски, рыбы), которые были расшифрованы. У изучающих грибную биолюминесценцию специалистов не было единого мнения о молекулярно-клеточной организации люминесцентной системы и механизме светоизлучения высших грибов. На момент начала наших работ в этой области считались устоявшимися два представления. Согласно первому, свечение грибов определяется функционированием классической фермент-субстратной системы люцифераза – люциферин. Надо сказать, что впервые грибная биолюминесценция