Биофлуоресценция акул. Как акулы управляют флуоресценцией?

8 августа 2019 года акулы вновь стали знаменитостями в учёной среде благодаря флуоресценции - способностью светиться в темноте.

В популярном научном журнале iScience было опубликованы данные об уникальном открытии, из которого стали известны новые особенности акул - как светящаяся кожа некоторых видов хищниц помогает им выживать на протяжении многих миллионов лет.

Флуоресценцией обладают кораллы, морские коньки, медузы, черепахи и даже человеческие зубы.

Суть флуоресценции сводится к способности поглощения света и его отражения в виде другого вида цвета. В животном мире это явление известно как биофлуоресценция (способность живых организмов поглощать свет одного цвета и излучать свет другого цвета).

Ранее учёным было известно, что 2 вида акул обладают флуоресценцией - это калифорнийская раздувающаяся акула (Cephaloscyllium ventriosum) и сетчатая кошачья акула (scyliorhinus retifer).
Но до сих пор исследователям был не ясен механизм такого биологического свечения.

И вот в августе учёные заявили, что им удалось выявить молекулы, ответственные за флуоресценцию акул, которых нет ни у одного другого светящегося живого организма планеты. И что эти молекулы могут выполнять другие, не менее удивительные функции. В процесс вовлечены белковые тела, ранее неизвестные науке.

Таким образом, в новом исследовании они раскрыли многолетний секрет светящихся в темноте кошачьих акул.

Авторами исследования и открытия флуоресцентного свечения хищников стали американские учёные: профессор Городского университета Нью-Йорка Дэвид Грубер и профессор Йельского университета Джейсон Кроуфорд.

Калифорнийская раздувающаяся акула в естественной среде обитания в подводном ущелье недалеко от Калифорнии: a - в белом свете, b - в естественном освещении, c - в ультрафиолете

Учёные обнаружили ранее неописанную группу низкомолекулярных метаболитов, ответственных за зелёную флуоресценцию у двух видов акул, - указано в аннотации.

Химический механизм биофлуоресцентного свечения не только отличается от свечения большинства морских существ, но играет и другие уникальные функции, такие как идентификация "свой-чужой" и "самка-самец", а также мощная антибактериальная защита от опасных болезней.

Именно эти учёные в 2014 году обнаружили два флуоресцентных вида акул в калифорнийском заливе Монтерей у побережья Калифорнии (калифорнийская раздувающаяся акула) и у побережья Чили (сетчатая кошачья акула).

Калифорнийская раздувающаяся акула:

Сетчатая кошачья акула:

В своём первом исследовании они обнаружили и исследовали у этих акул флуоресцентные свойства кожи, которая поглощала окружающий синий океанский свет и испускала в пространство свечение другого цвета - зелёного.

Причём разные участки тела акул имели разные параметры флуоресценции - светились с различной силой и интенсивностью: светлые бежевые полосы имели более высокую интенсивность зелёной флуоресценции по сравнению с тёмными участками кожи.

Смотреть видео - флуоресцирующие зелёным светом кошачьи акулы:

5 лет назад команда Дэвида Грубера выяснила, что большое количество видов морских обитателей также обладает способностью к биофлуоресценции. Например, за флуоресценцию японского угря оказался ответственным белок, связывающий жирные кислоты (FABP).

В новой работе 2019 года Грубер и Кроуфорд описали механизм флуоресценции кошачьих акул, который оказался отличным от всех известных до этого: флуоресценция акул была обусловлена не белками, а малыми молекулами - продуктами метаболизма триптофана.

 

Кожа акулы имеет самое удивительное строение по сравнению с кожей всех других обитателей планеты - она состоит из чешуек, каждая из которых представляет собой самый настоящий зуб, и называется такая кожа плакоидной чешуёй. Это своего рода броня и оружие в одном комплекте - очень прочная и грубая (подобие крупнозернистой наждачной бумаги).

В новом исследовании 2019 года доктор Грубер и доктор Кроуфорд с другими биохимиками взяли образцы кожи светлых и тёмных участков тела акул, произвели с ними множество опытов и в итоге обнаружила низкомолекулярные метаболиты, сильно отличающиеся от уже исследованных флуоресцентных белков, используемых биофлуоресцентными существами, такими как медузы и кораллы.

Кроме того, они смогли определить, какими метаболическими путями (последовательностями химических реакций внутри клеток) происходит флуоресценция на коже "неоновых" акул.

Под микроскопом они заметили несколько типов дендритов, которые, в зависимости от их размера, излучали зелёный свет различной интенсивности в ответ на окружающий синий свет океана. Некоторые дендриты фокусировали свет, направляя его наружу как волоконно-оптический дисплей.

 

Как светятся акулы? Предшествие открытию

Итак, в 2014 году морской биолог Дэвид Грубер и его команда обнаружили, что два вида донных акул являются биофлуоресцентными.

В океанских глубинах некоторые виды акул преобразуют синий свет океана в ярко-зелёный цвет, который могут видеть только другие акулы, - рассказывает исследователь.

Но как они управляют флуоресценцией, никто не знает.

Похоже, акулы направляют флуоресценцию через свои плакоидные чешуйки, которые, по-видимому, структурированы специально для этой задачи - это позволяет мерцать разным участкам кожи с различной интенсивностью.

Оказалось, что кошачьи акулы имеют особое зрение, которое позволяет им видеть других светящихся акул. Но все остальные обитатели океана этого не видят. Представьте, если бы я был ярко-зелёным, но только вы могли бы видеть меня ярко-зелёным, а другие - нет.

Изучение биофлуоресценции похоже на постоянно развивающийся детективный роман, в котором по мере продвижения вперёд появляются новые подсказки.

Вот и мы с коллегами решили углубиться в эту тему, чтобы узнать больше о значении флуоресценции для акул.

В 2016 году исследователи изучили спектральную чувствительность глаз обеих флуоресцирующих акул и выяснили, что они хорошо фиксируют зелёный спектр. Кстати, в условиях низкой освещённости акулы способны видеть примерно в 100 раз лучше человека.

Для того, чтобы изучить флуоресцентную активность акул на большой глубине, учёные сконструировали специальную камеру "акулий глаз", с помощью которой смогли получить картинку, максимально приближённую к зрению этих видов акул.

В основе действия приспособления учёные использовали метод микроспектрофотометрии, чтобы определить, как глаза акул поглощают свет.

Акулы существуют на нашей планете около 400 миллионов лет, поэтому их глаза хорошо приспособились к этой тусклой, чисто-голубой среде, - рассказывают учёные.

Хищницы имеют большое количество длинных пигментов палочек, которые помогают им видеть в условиях низкой освещённости.

В более глубоких слоях океана, где вода голубее, контраст, создаваемый флуоресценцией, ещё сильнее.

Смотреть видео - для изучения флуоресценции кошачьих акул учёные используют камеру "акулий глаз" (shark eye camera), чтобы увидеть их зелёное свечение:

За последние два года Грубер собрал команду учёных для изучения этих светящихся акул. Профессор получил образцы кожи от кошачьих хищниц, выловленных рыбаками, и отправил их химикам в Йельский университет.

В результате серии экспериментов учёные выяснили много невероятных подробностей из биологии акул, которые и описали в научном докладе 2019 года.

Теперь, благодаря акулам, учёные смогут исследовать флуоресценцию и у других морских животных, а также использовать полученные знания в медицинской области и при создании новых технологий.

 

Флуоресцентная кожа исследуемых акул и её антибактериальные свойства

Акулья кожа сама по себе довольно удивительный материал. Любой, кто прикасался к акуле, знает, что кожа относительно гладкая, если гладить акулу в сторону от головы к хвосту.

Однако при проведении рукой по коже акулы в обратном направлении, чешуя будет мешать этому процессу, что сравнимо с попыткой погладить наждачную бумагу с крупными абразивными зёрнами.

Это происходит из-за крошечных полупрозрачных зубчиков размером примерно 0,2 миллиметра, которыми усыпана вся кожа хищника.

Плакоидная чешуя акулы выступает в роли самых настоящих доспехов и помогает ей быть более гидродинамичной при перемещении в воде, уменьшая сопротивление тела, как ямочки на мяче для гольфа.

Теперь к этим свойствам прибавляется ещё одна феноменальная способность - учёные считают, что низкомолекулярные метаболиты, обнаруженные у флуоресцирующих кошачьих акул, помогают сохранять хищницам здоровье, защищая от всевозможных вирусов.

Они не заметили на коже акул никаких признаков поражений и биообрастаний, хотя хищницы проводят значительную часть своего времени на дне, прячась в расщелинах, на границе раздела осадочных пород и воды, где много микробов.

Смотреть видео - группа сетчатых кошачьих акул на илистом дне:

При помощи набора спектрометрических методов, таких как масс-спектрометрия высокого разрешения и УФ-спектроскопия, мы идентифицировали в коже акул ранее не описанное семейство малых флуоресцентных молекул - бром-содержащих кинуренинов, - рассказывает Грубер.

У млекопитающих производные кинуренинов обнаруживаются в нервной системе и, видимо, играют роль сигнальных молекул. Однако синтез этих молекул у акул происходит по альтернативному пути, отличному от млекопитающих, и выполняет иные функции. Бром-кинуренины играют роль ультрафиолетовых фильтров, взаимодействуя с меланином в коже акул.

Мы решили определить, какую роль метаболиты играют в поддержании акул в чистоте.

Эти создания проводят большую часть времени в засаде на дне океана, поджидая осьминогов и других морских обитателей. Для рыб, которые редко "выходят в свет", они имеют уж очень роскошный "наряд".

В лабораторных условиях исследователи изолировали из образцов кожи несколько метаболитов, отвечающих за флуоресценцию, и направили на них группу патогенных бактерий, вызывающих опасные заболевания, таких как стафилококк и парагемолитический вибрион.

Результаты показали, что метаболиты акул обладают способностью блокировать рост этих бактерий.

Мы были удивлены, обнаружив, что метаболиты в акульей коже, помимо того, что они вызывают флуоресцентное свечение, также убивают опасные вирусы, в частности те, что вызывают MRSA-инфекции и холеру, - делится впечатлениями Джейсон Кроуфорд.

Акулья кожа битком набита этими соединениями.

Это привлекает серьёзное внимание к акулам, у которых есть скрытые сверхспособности. Наше исследование доказывает, что в этих чудесных существах скрыты невероятные тайны, которые помогут человечеству в решении невыполнимых на сегодня задач.

Эксперимент показал, что флуоресцентные молекулы обладают хорошими антимикробными свойствами, играя важную роль в защите акул от патогенной микрофлоры на морском дне. Поэтому нам требуются более глубокие исследования, чтобы лучше изучить это уникальное свойство.

Например, киты достаточно часто сбрасывают свою кожу, чтобы не допускать на ней разрастания патогенных микроорганизмов и моллюсков. Акулы же за миллионы лет эволюции обрели способ намного эффективнее бороться с заразой, продуцируя на периферии своего тела невидимых защитников.

Дополнительно можно отметить, что пигментные белки флуоресцентных молекул так же помогают защитить акул от солнечных ожогов под водой.

Учёные не скрывают, что противомикробные свойства кожи акул являются самой захватывающей частью нового исследования флуоресценции. Теперь они могут привести убедительные доказательства теории, по которой акулья кожа спасает акул от смертоносных инфекций.

Кроме того, обнаруженные флуоресцентные метаболиты могут оказаться полезными при разработке человеческих антибиотиков высокого уровня эффективности и спектра действия.

 

Флуоресцентное свечение для общения с противоположным полом

Исследователи определили, что самцы и самки обоих видов кошачьих акул светятся заметно по-разному. По их мнению флуоресцентный зелёный свет играет роль своеобразного сексуального маячка, позволяя акулам идентифицировать и даже привлекать потенциальных партнёров для спаривания.

При погружениях во время экспедиции учёные обнаружили, что акулы находились в группах от 2 до 10 особей. Это означает, что виды кошачьих акул являются социальными существами, собираясь в стаи не только для охоты и размножения, но и для передачи информации с помощью секретного языка, который может быть разным у разных видов акул.

Для рассматриваемых в исследовании видов акул таким языком выступает флуоресцентное свечение.

Пигментация тела в ультрафиолете (видна флуоресценция) и белом свете у самки (a–d) и самца (e–g) сетчатой кошачьей акулы. У самцов флуоресцируют копулятивные органы (класперы). У самок класперов нет, а сетчатый рисунок более выразительный, с более широкими чёрными и коричневыми полосами, особенно с брюшной стороны:

 

Чем отличается биофлуоресценция от биолюминесценции

Явление, известное как биофлуоресценция, не следует путать с родственным явлением биолюминесценцией.

Светящиеся живые организмы достаточно широко распространены в природе. Их свечение может быть обусловлено как биолюминесценцией (которой обладают, например, светящиеся в темноте грибы), для которой не нужен внешний источник света, так и биофлуоресценцией, которая заключается в обратном излучении поглощённого света с изменённой длиной волны.

К биофлуоресценции, как правило, способны морские организмы; самые изученные из них - это медузы и кораллы, роль флуорофоров у которых выполняют специальные белки.

За открытие зелёного флуоресцентного белка (GFP - green fluorescent protein) медузы в 2008 году учёным была вручена Нобелевская премия по химии. Зелёный белок и его производные в настоящее время широко используются в биологических экспериментах для мечения клеточных компонентов.

Различить эти понятия достаточно просто: биолюминесценция - это когда животные сами генерируют исходящий свет, а биофлуоресценция - это когда животные преобразуют уже существующий свет в свечение другого цвета, - поясняет автор исследования Грубер.

Большинство биолюминесцентных видов обитают глубоко в океане, ниже так называемой фотической зоны, куда не проникают фотоны солнца, поэтому животные сами создают свой собственный свет. Вспомните хотя бы ужасных на вид рыб-удильщиков, использующих для охоты люминесцентную приманку на своей голове.

Биофлуоресценция же требует внешнего источника света.

Я заинтересовался изучением флуоресценции у акул в 2013 году, когда обнаружил, что они также обладают этим интересным свойством помимо 180 других видов обитателей океана.

До этого большинство исследований флуоресценции было сосредоточено на медузах и кораллах.

В учёной среде наблюдалось достаточно много споров о функции флуоресцентного свечения в кораллах, но акулы - это живые существа с сильными зрительными способностями, чего кораллам определённо не хватает. Было бы некорректно изучать флуоресценцию без учёта информации, которую мы могли получить от более развитых подводных обитателях.

Поэтому когда я рассказал Кроуфорду о существовании биофлуоресцентных акул, их изучание стало нашим совместным проектом.

Флуоресценция среза кожи акулы Cephaloscyllium ventriosum, облучённой синим светом:

В организмах флуоресцентных акул свечение образуется химическим путём, невиданным ранее у других животных, - поясняет Мэтью Дэвис, профессор биологии в Университете Сент-Клауд из США.

То есть, кошачьи акулы разработали собственный язык коммуникации - свою собственную флуоресценцию, и научились мастерски ей управлять, используя для самых разных целей - от совместной охоты до спаривания.

В мире больше нет организмов, способных светиться подобным образом, и это дает акулам ряд преимуществ среди других флуоресцирующих обитателей в тёмных глубоких слоях океана.

Смотреть видео - биофлуоресценция в океане:

 

Подробности открытия, светящийся зелёным флуоресцентный белок (GFP)

Во время исследования биологи изучали образцы кожи кошачьих акул и определяли все соединения, находящиеся в них.

К их удивлению компоненты, участвующие в флуоресценции, оказались не белками, а продуктами распада необычной формы аминокислоты под названием триптофан.

Исследователи поясняют, что у животных значительная часть триптофана идёт на создание белков. Но небольшая часть превращается в соединение кинуренин (оно, в свою очередь, является строительным элементом для ниацина - витамина B3).

Оказалось, что в момент присоединения атомов брома кинуренин заставляет кожу акул поглощать высокоэнергетические волны синего света в толще океана и переизлучать зелёные волны с более низкой длиной.

Открытые флуоресцентные молекулы назвали бромированными метаболитами триптофан-кинуренина.

Новые молекулы из класса кинуренинов, обладающие функцией флуорофоров в коже акул:

До этого момента единственным изученным механизмом биофлуоресценции был зелёный флуоресцентный белок (GFP) - в 1961 году Осаму Шимомура и Фрэнк Джонсон выделили белок из медуз, которые светились зелёным в солнечном свете, жёлтым под лампочкой и флуоресцентным зелёным под ультрафиолетовым светом.

Белок GFP содержит специальный хромофор, который поглощает и излучает свет. Направляя ультрафиолетовый или голубой свет на хромофор, он поглощает энергию, становится возбуждённым, и после этого испускает более интенсивную энергию в виде зелёного света.

GFP с тех пор стал стандартным инструментом маркировки для исследователей по всему миру, позволяя им изучать биологические процессы, невидимые невооруженным глазом на клеточном уровне.

Кораллы тоже могут очень красиво флуоресцировать в широком диапазоне оттенков, а белки, которые вызывают этот процесс, находятся в том же семействе, что и GFP.

Новые соединения, обнаруженные в коже кошачьих акул, по принципу действия похожи на GFP и его семейство белков, поскольку они излучают яркую зелёную флуоресценцию, когда на них падает свет с определённой длиной волны (обычно ультрафиолетовый свет).

Биофлуоресценция у различных обитателей океана:

Значительное отличие состоит в том, что акульи флуоресцентные молекулы являются небольшими метаболитами, тогда как GFP является белком.

Метаболиты - это вещества, вырабатываемые в процессе метаболизма (пищеварения или других химических процессов организма), которые отвечают за разнообразные функции организма.

После того, как зелёные флуоресцентные белки были впервые обнаружены у медуз в 1961 году, они произвели революцию в науке о жизни, - говорит биохимик Марк Прескотт из Университета Монаша в Австралии.

Мы смогли начать подглядывать за живыми клетками внутри организма, используя эти флуоресцентные молекулы в качестве маячков, не причиняя вреда самому организму.

Это позволило нам изучить процессы, происходящие в клетках и лучше понимать возникновение и протекание самых различных болезней.

И вот в 2019 году учёные сделали ещё один шаг в раскрытии тайн биофлуоресценции. Акулы преподнесли нам неожиданный сюрприз, вновь добавив работы. И это неудивительно - они постоянно озадачивают людей и хранят множество секретов и фантастических способностей, таких как сверхобоняние и фиксирование пульсации крови добычи, скрывающейся в песке.

Исследователи признаются, что несмотря на открытие, у них появилось к акулам ещё больше вопросов. Например, почему 2 вида кошачьих акул флуоресцируют, в то время как другие виды, которые незначительно от них отличаются, не делают этого?

Я считаю, что в океане есть ещё много видов флуоресцентных акул, с которыми нам ещё предстоит столкнуться, - говорит доктор Грубер.

Наша команда надеется, что полученные результаты исследования будут использованы для создания новых методов визуализации, которые применяются в научных экспериментах и медицине (биомедицинская визуализация).

Я уверен, что открытие нового метода флуоресценции, любезно предоставленного акулами, вдохновит других учёных ещё ближе познакомиться с этими удивительными хищниками и узнать больше об их секретах, что без сомнения поможет защитить их от истребления и вымирания.

Смотреть видео - флуоресцентная акула-воббегонг:

 

Заключение

Иногда в природе бывает так, что даже у сильно отличающихся друг от друга животных обнаруживаются сходные признаки.

Это явление называется параллельной эволюцией, и его изучение всегда преподносит учёным массу сюрпризов.

К примеру, биофлуоресценция (способность поглощать и повторно излучать свет от внешнего источника) свойственна лягушкам, скорпионам, хамелеонам, черепахам и целому ряду иных морских обитателей.

Однако все они делают это благодаря одному и тому же белку класса GFP, который развился у них независимо друг от друга.

Например, кости человека также обладают флуоресценцией благодаря этому же белку в структуре коллагена. Но мы не видим этого свечения, поскольку кости скрыты плотью, что не позволяет свету выходить из организма.

В результате рассмотренного открытия механизма зелёной флуоресценции кошачьих акул учёные обнаружили, что в роли поглотителей-излучателей выступают не высокомолекулярные белки, как у всех других флуоресцентных организмов планеты, а малые молекулы из ранее не описанного семейства бром-кинурининов.

А в роли световодов выступают чешуйки на коже акул.

Кроме того, новые представители кинуридинов обладают сильными антибактериальными свойствами.

У других позвоночных эти низкомолекулярные метаболиты вовлечены в работу иммунной системы и центральной нервной системы.

У акул же эти метаболиты находятся в коже, что позволяет производить флуоресценцию и защищать тело от опасных вирусных заболеваний. Они управляют этими процессами с помощью плакоидных чешуек, которые эволюционно приспособились для этой задачи.

Учёные полагают, что акулы не только поспособствуют лучшему пониманию биологических процессов флуоресценции, но и могут стать ключом для важных открытий в медицине.

Смотреть видео - красивое флуоресцентное свечение кошачьих акул в темноте: