В ходе эволюции многие организмы научились светиться за счет люминесценции. Она помогает животным общаться, ловить добычу, избегать хищников, бактериям — избавляться от опасных активных форм кислорода, проводить «ремонт» повреждений ДНК и выполняет другие функции, которые не всегда понятны ученым. При этом в основе биолюминесценции всегда лежит реакция окисления специфического субстрата с участием фермента люциферазы. Люцифераза бактерий представляет собой гетеродимер, то есть комплекс из двух разных белков LuxA и LuxB. Вспомогательные белки (LuxC, LuxD, LuxE и LuxG) синтезируют необходимые для реакции субстраты, — что-то вроде «расходных материалов» люминесценции. Гены, которые кодируют необходимые для биолюминесценции белки, входят в состав очень необычного оперона lux (люциферазного оперона). Оперон — это часть генома бактерии, которая объединяет в себе гены с общими функциями и регуляцией.
Люциферазный оперон найден у разных групп бактерий, способных к люминесценции. Однако биоинформатики обнаружили те же гены и у других бактериальных клеток, которые не умеют светиться. Это вдохновило российских ученых из МФТИ, ФИЦ Биотехнологии РАН и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) использовать другой подход к проблеме. Вместо того чтобы изучать клетки с уже описанной люминесценцией, они поискали соответствующие генетические «задатки» у остальных бактерий и выяснили, что ген luxA, встречающийся в нестандартном опероне и лишенный своего «напарника» luxB, кодирует вполне функциональную люциферазу.
Среди бактерий со «спящими» генами люминесценции внимание ученых привлекла Enhygromyxa salina, которая живет в морской воде и приспособлена к повышенной солености. Как и многие другие нелюминесцентные бактерии, она имеет неполный набор генов люциферазного оперона: только ген luxA, но не luxB. Авторы доказали, что белок LuxA этой бактерии может связываться сам с собой и обойтись без своего «напарника», образуя гомодимер, — он состоит из двух одинаковых молекул. В таком виде LuxA способен к люминесценции, хотя и более слабой чем у светящихся в природе бактерий. Физтехи доказали это в опытах in vitro, а также в экспериментах с трансгенной кишечной палочкой E. coli, — в ее геном перенесли соответствующий ген E. salina. Далее авторы выяснили, как активность LuxA зависит от субстратов — специфических молекул, которые использует этот фермент. Они также получили белок в форме кристалла и с высокой точностью установили структуру молекулы, которая всегда тесно связана с ее функциями.
«Любопытно, что оставшийся без “напарника” ген luxA довольно существенно отличается от тех генов, которые обычно находятся в оперонах вместе с luxB у других бактерий. Вероятно, мы обнаружили в геноме E. salina прото-люциферазу, то есть исходную предковую форму фермента. В других люминесцентных бактериях ген luxA дуплицировался, то есть представлен двумя копиями. Далее две “половинки” гена приобрели собственную специализацию, что обеспечило большую эффективность люминесцентной системы, а в геноме E. salina так и остался только luxA. С другой стороны, бактерия вполне могла просто потерять исходно имевшийся ген luxB. В любом случае эта люцифераза очень необычна: она образует гомодимер (что несвойственно обычным LuxA) и обладает более слабой люминесценцией в сравнении со стандартными LuxAB, а также лучше работает на субстрате с более короткими углеводородными цепями», — пояснил один из авторов публикаций Сергей Баженов, старший научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
