Jak hlubokomořské krevety generují světlo?
Aneb záhada jednoho podvodního ohňostroje objasněna
Bioluminiscence, schopnost živých organismů produkovat viditelné světlo, je jedním z
nejkrásnějších biologických fenoménů, který lidstvo fascinuje po staletí. Zatímco suchozemských
světélkujících tvorů není mnoho, v mořích a oceánech je situace naprosto odlišná. V temných
hlubinách se to doslova hemží nejrůznějšími organismy, které produkují „studené“ bioluminiscenční
světlo nejrůznějších barev. Dělají to proto, že jim tato schopnost pomáhá přežít, neboť na světlo
mohou třeba nalákat potravu, jako bylo ukázáno ve filmu Hledá se Nemo.
Jedním z velice zajímavých bioluminiscenčních tvorů je hlubokomořská kreveta Oplophorus
gracilirostris. Když na ni totiž dostane chuť nějaká dravá ryba, dokáže tato kreveta jako obranný
mechanismus vystříknout do svého okolí vysoce viskózní sekret, který se záhy promění v ohromující
podvodní světelnou show. Zatímco je ryba zaskočena a ohromena tímto ohňostrojem, získává
kreveta cenný čas, aby se tiše vytratila a před predátorem ukryla. Klíčovou složkou onoho „světlo-
generujícího“ sekretu je bílkovina, které se říká luciferáza. Tato bílkovina řídí chemickou přeměnu
malé organické molekuly, zvané luciferin. Chemickou přeměnou luciferinu v nitru luciferázy vzniká
produkt reakce v excitovaném stavu, který vyzařuje foton viditelného světla. Zajímavostí krevetí
luciferázy je její velikost a tvar, jelikož je vskutku velmi malá v porovnání s ostatními známými
luciferázami. Proto se jí říká nanoluciferáza. Díky své velikosti se nanoluciferáza těší velké oblibě, a
vědci a inženýři po celém světě ji používají pro zobrazování nejrůznějších biologických dějů. Nicméně,
i přes velkou oblibu, doposud nebyl znám molekulární princip, jak tato luciferázová celebrita
produkuje světlo v modré oblasti spektra. Velkou neznámou bylo totiž místo, kam a jak se v molekule
nanoluciferázy luciferin v průběhu světlo-produkující reakce váže, tak aby přeměna proběhla
efektivně.
V experimentech se primárně zaměřili právě na objasnění této zásadní
neznalosti. V laboratoři se jim podařilo biochemicky připravit komplex nanoluciferázy
s luciferinovými molekulami v takovém množství a čistotě, že bylo možné provést jejich krystalizaci.
Difrakční analýza těchto krystalů, která probíhala na synchrotronovém urychlovači částic ve
švýcarském Villigenu, poskytla difrakční data, na jejichž základě bylo možné vyřešit atomární
struktury zmíněných makromolekulárních komplexů. Tak se jim podařilo vizualizovat klíčové kroky
nanoluciferázové reakce, a pochopit tak její katalytický mechanismus na molekulární úrovni. Díky
tomuto zjištění pak provedli v molekule nanoluciferázy strukturní změny, které vedly k jejímu
katalytickému vylepšení. Experimenty se savčími buňkami pak prokázaly, že inženýrsky
upravená nanoluciferáza vykazuje skvělé optické vlastnosti ve srovnání s konkurenčními reportéry.
Experimenty objasnily doposud tajemstvím zahalený molekulární mechanismus svícení
nanoluciferázy hlubokomořské krevety, jenž nyní slouží jako vysoce výkonný zdroj světla pro
zobrazování biologických pochodů v rámci jedné buňky či celých živočichů a rostlin. Krom toho,
výsledky práce jsou nyní inspirací pro inženýry, kteří se snaží konstruovat alternativní zdroje
svícení, jež by byly udržitelné a zároveň nezatěžovaly životní prostředí.