Ключом к активации этой скрытой способности является новый синтетический аналог D-люциферина, разработанный в UMMS. Результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предполагают, что внутренняя биохимия, необходимая для биолюминесценции, встречается чаще, чем считалось ранее. Синтетические люциферины могут демонстрировать скрытую ферментативную активность, способную производить свет, у животных, не известных своей люминесценцией.
Это расширяет возможности визуализации биолюминесценции для исследований и добавляет новые инструменты для неинвазивного изучения текущих биологических процессов.Немногие животные могут естественным образом светиться в темноте. Самый известный пример, светлячок, создает биолюминесценцию, когда небольшая молекула D-люциферина окисляется ферментом люциферазой, который есть только у жуков.Считается, что фермент люцифераза произошел от жирных ацил-КоА синтетаз (ACSL), обнаруженных у всех насекомых.
Оба класса ферментов входят в суперсемейство, образующее аденилат, и могут активировать жирные кислоты. Но только люцифераза катализирует световое излучение D-люциферина. Стивен Миллер, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной фармакологии в Медицинской школе Университета Массачусетса, ранее обнаружил, что некоторые мутации в ферменте люциферазы уменьшают световое излучение от природного субстрата D-люциферина, но улучшают световое излучение при использовании синтетических люциферинов, разработанных им. лаборатория.
«Это подсказало нам, что неспособность ACSL насекомых излучать свет с субстратом люциферазы жука D-люциферином не обязательно означает, что они не способны к биохимии, необходимой для свечения», — сказал д-р Миллер, старший автор PNAS. учиться.Он предположил, что ферменты ACSL у других насекомых способны к биолюминесцентной реакции, подобной светлячкам.
Ключом было обнаружение небольшой молекулы, выполняющей роль D-люциферина, который не является субстратом для ACSL, чтобы запустить биохимическую реакцию.Подозревая, что D-люциферин на самом деле является плохим субстратом для ACSL из-за его формы, Миллер и его коллеги Дэвид Мофффорд, докторант четвертого курса Высшей школы биомедицинских наук и первый автор исследования, и Рандхир Гадарла, доктор философии, постдокторское исследование товарищ, протестировал ряд синтетических люциферинов, которые он разработал, чтобы увидеть, имеют ли они геометрию, необходимую для инициирования биолюминесценции, с использованием жирной ацил-КоА синтетазы CG6178, обнаруженной у плодовой мушки Drosophila melanogaster.Миллер обнаружил, что когда этот белок плодовой мухи обрабатывали жестким синтетическим аналогом D-люциферина, названным CycLuc2, он излучал красное свечение.
Простого добавления CycLuc2 к живым клеткам дрозофилы было достаточно, чтобы они тоже светились. Когда CG6178 экспрессировался в клетках млекопитающих, они тоже могли излучать свет в присутствии CycLuc2.«Мы думаем, что уникальная жесткая и асимметричная кольцевая структура синтетической молекулы CycLuc2 действует как ручка, помогающая правильно выровнять ее внутри фермента, чтобы могло произойти аденилирование. Как только это произойдет, молекула может быть окислена, чтобы излучать свет», — сказал Миллер. «D-люциферин не подходит, поэтому биохимическая реакция, необходимая для инициирования биолюминесценции, не может начаться».
Эти данные предполагают, что другие биолюминесцентные ферментативные активности могут уже существовать в природе, ожидая выявления подходящим аналогом люциферина. Наличие нескольких люцифераз с уникальными субстратами увеличивает количество информации, которую можно получить с помощью этого метода. И поскольку это не требует изменения базовой ДНК, использование эндогенных белков в качестве люцифераз может сильно повлиять на потенциальное использование биолюминесцентной визуализации для изучения экспрессии генов, понимания инфекции, отслеживания раковых клеток или измерения эффективности новых лекарств.«Эти синтетические субстраты расширяют возможности биолюминесценции за пределы того, что ранее считалось возможным», — сказал Миллер. «Это даст ученым новые инструменты для неинвазивного изучения фундаментальных биологических процессов в живых клетках и животных, возможно, с использованием эндогенного фермента, а не люциферазы светлячков».
Одним из следующих шагов доктора Миллера и его коллег будет исследование того, могут ли синтетические люциферины раскрывать скрытую люциферазную активность ферментов ACSL человека.