Гребневики сами производят светящееся соединение, а не получают его с пищей
В полной темноте глубоководной среды свет — драгоценный ресурс. Фактически, способность светиться (биолюминесценция) необходима для выживания многих глубоководных животных. По меньшей мере девять крупных групп, включая медуз, кораллы, офиур, кальмаров и рыб, используют одно и то же светоизлучающее химическое соединение — целентеразин — для своих свечений. Удивительно, но многие из этих животных не могут производить целентеразин самостоятельно и должны получать его, поедая других светящихся животных.
Новое исследование показывает, что как минимум два вида гребневиков (Ctenophora) способны производить целентеразин внутри своего тела и, таким образом, могут быть источником этого химического вещества для многих других обитателей глубин. Это открытие не только поможет понять биохимические процессы, с помощью которых животные создают свет, но и может предоставить новый инструмент для биомедицинских исследований.
Поскольку каждая молекула целентеразина может прореагировать для создания света только один раз, запас этого вещества быстро истощается при каждом свечении. Это означает, что животное должно постоянно пополнять запасы целентеразина, если хочет продолжать светиться.
Даже кристальные медузы (Aequorea victoria), у которых целентеразин был впервые идентифицирован, не производят его сами, а получают, поедая копепод и других ракообразных.
Ранее единственными морскими животными, у которых было подтверждено самостоятельное производство целентеразина, были пелагический копепод Metridia pacifica и глубоководная креветка Systellaspis debilis. Поскольку этих животных сложно изучать, и никто не смог вырастить их в лаборатории, точный механизм производства соединения остаётся неизвестным.
Теперь в новой работе бывший постдок MBARI Манабу Бессо-Уэхара, морской биолог MBARI Стив Хэддок и другие исследователи продемонстрировали, что как минимум два вида гребневиков (Bolinopsis infundibulum и Mnemiopsis leidyi) также могут производить собственный целентеразин.
Чтобы доказать, что эти гребневики не получают данное химическое вещество с пищей, исследователи сотрудничали с аквариумистом Уайаттом Пэтри из Аквариума Монтерей-Бей и биологом Уильямом Брауном из Университета Майами, которым удалось вырастить и размножить этих животных в неволе.
Исследователи вырастили несколько поколений гребневиков, кормя их только организмами, не содержащими целентеразин. Даже без целентеразина в пище гребневики сохранили способность светиться, а исследователи смогли обнаружить целентеразин в их телах. Хэддок отметил: «Эксперименты Манабу дали одни из самых ясных и убедительных результатов из всех исследований, в которых я участвовал».
Анализируя «генеалогическое древо» различных типов светящихся животных, исследователи пришли к выводу, что светящиеся гребневики, копеподы и креветки независимо друг от друга эволюционировали способность производить целентеразин. Это вновь показывает, насколько важна биолюминесценция для многих морских животных.
С экологической точки зрения эти выводы значимы, поскольку показывают, что светящиеся гребневики могут служить источником целентеразина для многих других глубоководных животных, которые ими питаются.
Это исследование также может иметь применение за пределами морской биологии. Поскольку этих гребневиков можно успешно выращивать в неволе, а геном Mnemiopsis leidyi уже секвенирован, исследователи предполагают, что этот вид может стать «модельным животным» для изучения биолюминесценции и производства целентеразина.
«Мы очень хотим выяснить гены, участвующие в создании этой молекулы, — сказал Хэддок. — Это рассказало бы нам так много об эволюции биолюминесценции и могло бы открыть новое поколение биотехнологических инструментов. Превращение этих хрупких желе в «лабораторных крыс» позволило провести эксперименты, которые мы не могли сделать несколько лет назад. Я надеюсь, что это станет ключом к разгадке таинственного происхождения биолюминесценции».
С практической точки зрения, если исследователи смогут выяснить точные биохимические процессы, с помощью которых гребневики производят целентеразин, они смогут воспроизвести этот процесс в лаборатории для создания новых типов светящихся соединений. Такие соединения широко используются в современных биомедицинских, биохимических и геномных исследованиях, например, для отслеживания опухолевых клеток.
«Строительные блоки целентеразина — это те же аминокислоты, которые встречаются во всех живых организмах, включая человека, — объяснил Бессо-Уэхара. — Если мы сможем внедрить гены, производящие целентеразин, в живые клетки других организмов, мы сможем заставить части этих клеток светиться. Это помогло бы нам понять, как клетки ведут себя, развиваются и реагируют на изменяющиеся условия. Такая технология осветила бы науки о жизни, преодолев некоторые трудности, с которыми мы сталкиваемся при использовании нынешних светящихся соединений».