Научный комитет Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» присудил премию 2025 года в номинации «Прорыв» за расшифровку молекулярных механизмов биолюминесценции и создание светящихся растений доктору химических наук Илье Викторовичу Ямпольскому (Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН).
Илья Викторович Ямпольский родился 25 апреля 1979 года в Москве. Окончил биокласс Московской школы №1543. С 1996 по 2001 год учился в Высшем Химической Колледже РАН. Будучи студентом, работал в лабораториях Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН и Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН. С 2000 года работает в ИБХ РАН. В 2009 получил степень кандидата химических наук в области биохимии за работу по изучению структуры хромофоров в GFP-подобных флуоресцентных белках. В 2016 году защитил диссертацию доктора химических наук, посвященную изучению новых люциферинов – субстратов биолюминесцентных реакций.
Биолюминесценция
Первые известия о биолюминесценции относятся еще ко времени античности. Аристотель упоминал свечение гнилых деревьев, Плиний Старший в своей «Естественной истории» отмечал еще и свечение моря. Сейчас мы знаем, что этот эффект, который можно наблюдать, например, на черноморском побережье, вызван ночесветками Noctiluca scintillans – одноклеточными организмами из типа динофлагеллят Dinoflagellata.
Ночесветка Noctiluca scintillans
В настоящее время биологи описали более 700 видов люминесцирующих организмов из 17 типов. Среди них есть бактерии, грибы, морские и наземные животные – но не растения. К слову, среди светящихся животных выделяют животных с аутогенным светом (светящихся самостоятельно) и с бактериогенным светом (в таких организмах светятся бактерии-симбионты).
Природа «живого света» долгое время оставалась непонятной. Лишь в XVII веке выдающийся естествоиспытатель, один из основателей Лондонского королевского общества и исследователь кислорода Роберт Бойль, сумел доказать химическую природу биолюминесценции светляков и гнилушек, установив, что для этого процесса, как и для горения, необходим кислород.
Долгое время в науке существовало мнение, что люминесценция живых организмов вызвана свечением белого фосфора, находящегося где-то в тканях. Только в 1880-х годах французский фармаколог Рафаэль Дюбуа (известный своими трудами по анестезии), изучая сначала свечение жука огненосного щелкуна Pyrophorus noctilucus, а затем – моллюска Pholas dactylus, сумел доказать, что фосфор здесь ни при чем.
Оказалось, что для свечения, помимо кислорода, нужны два компонента: особый белок и органическая молекула-субстрат. В статье, посвящённой люминесценции моллюска Pholas dactylus, вышедшей в 1887 году, Дюбуа предложил называть белок-фермент люциферазой, а молекулу-субстрат люциферином (от латинского lux – свет, fer – несущий). Впрочем, слово «фосфор» тоже означает «несущий свет». Только по-гречески.
Работы Дюбуа продолжил британский химик Эдмонд Ньютон Харви, который в начале XX века попытался продемонстрировать взаимозаменяемость у разных видов люциферина и ферментов, которые производят свет, воздействуют на него, и показать, что у всех биолюминесцентных организмов был общий предок. Однако он обнаружил, что эта гипотеза неверна: у разных организмов люциферины и люциферазы различаются. Следующие 30 лет жизни он посвятил неудачным попыткам выделения люциферина.
Современное комплексное изучение биолюминесценции начинается с работ нобелевского лауреата Осаму Симомура. Именно этот ученый, получивший Нобелевскую премию по химии 2008 года за открытие и применение зеленого флуоресцентного белка, в 1957 году расшифровал структуру люциферина остракод Cypridina hilgendorfii, которые использовались во время Второй Мировой Войны японцами как природный люминофор: высушенные рачки при смачивании снова начинали светиться.
Именно с Симомурой ровно полвека спустя и начиналась работа в области биолюминесценции лауреата «Вызова» 2025 года.
Вклад лауреата
В рамках мегагранта Осаму Симомуры в Сибирском федеральном университете Илья Ямпольский отвечал за химическую часть работы.
В рамках этой коллаборации удалось изучить и установить механизмы люминесценции двух червей, обитающих в Красноярском крае. При этом оказалось, что у двух близких видов совершенно разные механизмы люминесценции.
Определить структуру молекулы, отвечающей за свечение люциферина червей оказалось непросто. Сначала при помощи методов ядерного магнитного резонанса и масс-спектрометрии, а также анализом биохимических путей удалось установить четыре фрагмента этой молекулы и места соединения этих фрагментов.
Составные фрагменты молекулы люциферина и потенциальные места их соединений
Затем методами органического синтеза Ямпольский с коллегами синтезировал все четыре варианта молекулы люциферина, которые соответствовали ЯМР-спектру и данным масс-спектрометрии, и найти ту, которая светится в присутствии люциферазы.
Четыре варианта структуры люциферина
Новым этапом в изучении «живого света» стала расшифровка структуры люциферина грибов, которую коллектив под руководством Ильи Ямпольского сделал в 2015 году – первым в мире. При этом предшественник люциферина был изначально найден в несветящихся грибах. Им оказался гиспидин, который в свою очередь получается из кофейной кислоты, после чего удалось расшифровать и весь биохимический путь люциферина – от кофейной кислоты до структуры оксилюциферина. Оказалось, что превращение люциферина в оксилюциферин происходит по механизму, похожему на ретро-реакцию Дильса-Альдера.
Механизм свечения люциферина с присоединением молекулы кислорода и последующим отщеплением СO2.
Группе Ямпольского удалось найти структуру еще одного люциферина, морского многощетинкового червя Odontosyllis, расшифрованного в 2019 году. Таким образом, лауреат увеличил количество известных науке люциферинов более чем в полтора раза.
После того, как в 2018 году Илья Ямпольский сделал полную расшифровку всего биохимического пути (оказалось, что ключевая молекула для производства люциферина грибов – кофейная кислота, также синтезируется и в растениях) и идентификацию всех четырех генов, участвующих в биолюминесценции различных грибов, возникла идея перенести всю эту цепочку в растительное царство.
Первые светящиеся растения были созданы в 1986 году, когда ген люциферазы светляка был при помощи генной инженерии встроен в табак, однако растение светилось слабо и только при внешней подпитке люциферином.
Группе Ильи Ямпольского удалось полностью встроить все гены, отвечающие за синтез самой люциферазы и производство люциферина грибов в различные растения, затем добиться усиления свечения в сотни раз путем тонкой «настройки» параметров биохимического каскада, включая частоты употребления кодонов, подбор регуляторных генетических элементов, метаболическую инженерию и направленную эволюцию ферментов. А затем и наладить коммерческий выпуск комнатных светящихся растений, параллельно продолжая научные исследования – поиск новых люциферинов и улучшение характеристик светящихся растений. Создание и коммерческое производство светящихся растений вошло в список лучших изобретений 2024 года по версии журнала Time и попало на обложку журнала.
Среди современных исследований группы Ямпольского – внедрение биохимического пути люминесценции грибов в млекопитающих и дрожжи, а также создание гибридных биохимических путей, сочетающих фрагменты, «позаимствованные» и у грибов, и у растений.
Применение
Создание коммерчески доступных светящихся комнатных растений (к сожалению, пока что продажа в России их не разрешена) – само по себе весьма крупный бизнес. Однако дальнейшее развитие технологии может привести к более интересным применениям. И речь даже не о потенциальном ботаническом саде-аттракционе в стиле фильма «Аватар», хотя это тоже возможный вариант, как и вариант летнего (или круглосуточного в случае южных регионов мира) уличного освещения при помощи люминесцентных деревьев.
Использование люминесценции вместо флуоресценции в качестве биомаркера позволяет избавиться от фонового света, присущего флуоресцентным системам, и не фототоксично. Открытые лауреатом люциферин-люциферазные системы широко применяются в биологии и биомедицинских исследованиях.
Разработанный Ямпольским метод комплексного переноса целых биохимических цепочек из царства в царство может быть в будущем использован для решения такой важнейшей проблемы, как фиксация азота самими растениями.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
