Знание-сила, 2001 №04
Шрифт:
– 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,
– 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
– 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».
Активный кислород используют и наши белые кровяные тельца. Можно сказать, что фагоциты ползут, как танки, и временами сообща дают «залп» свободными радикалами, «сжигая» бактерии. В этот момент в их клетках происходит «дыхательный взрыв» – скачок потребления кислорода, причем не для дыхания, а для производства радикалов. При этом наблюдается их слабое свечение. Активно выделяют радикалы и клетки эпителия. Но производителям радикалов кислорода необходима защита от самоубийства – в этом качестве и выступают антиоксиданты, отдельные из которых дали начало биолюминесценции.
Кстати, у человека избыток радикалов возникает при таком заболевании, как серповидно-клеточная анемия. Такой человек легко может умереть от инфаркта или инсульта (избыток перекиси поражает стенки сосудов). Но эта же перекись убивает малярийный плазмодий, попавший в кровь. То есть эта болезнь в «малярийных» регионах оказывается средством выживания.
Так выглядят кораллы в ультрафиолетовых лучах. Их свечение вызвано особыми флуоресцирующими белками
– В ходе нашей работы мы узнали, что огромный и цветной мир кораллов и актиний (а также, как мы полагаем, многих других обитателей моря) окрашен с помощью белков, на которые распространяется принцип «один ген – один белок – один цвет». Все они родственны тому самому «зеленому флуоресцирующему белку» медузе-экворее. Их важная функция – светозащитная. То есть они создают световой экран, способный как бы притенять в их тканях теплицу с симбиотическими водорослями и тем самым ослаблять выделение ими кислорода, в том числе и его активных форм. Ведь избыточный фотосинтез на очень ярком свету (под тропическим солнцем) по-своему вреден, и «цветные белки» помогают уменьшать этот вред. Если же света недостаточно, те же оптически активные белки оказываются расположены под слоем водорослей, наоборот, и усиливают световой поток. Вообще морские животные довольно активно «руководят» эндосимбионтами, сокращаясь или расслабляясь при действии определенных лучей. «Цветные белки» тоже участвуют в такой регуляции.
– Это косвенная защита. А обладают ли изучаемые вами щцветные белки» собственной антиоксидантной активностью?
– Этого еще никто не проверял. Просто время не пришло. Сейчас предпринимаются попытки ответить на этот вопрос.
В генах этого детеныша уже есть код зеленого флуоресцентного белка. Это единственная удача из 224 попыток внедрения такого гена в яйцеклетки макак-резусов.
– Расскажите о возможностях практического применения «цветных белков».