Расшифровка молекулярного механизма биолюминесценции высших грибов и разработка методических основ ее использования с целью создания новой патентно чистой линии аналитических методов для биотехнологии и медицины

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-14-00052

НазваниеРасшифровка молекулярного механизма биолюминесценции высших грибов и разработка методических основ ее использования с целью создания новой патентно чистой линии аналитических методов для биотехнологии и медицины

Руководитель Гительзон Иосиф Исаевич, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова биолюминесценция, грибы, биотехнология, тест-системы, люцифераза, светящиеся грибы, Neonothopanus nambi, люциферин, люцифераза, люминесцентная система

Код ГРНТИ62.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Общей научной проблемой, в рамках которой планируется данный проект, является расшифровка физико-химических и молекулярных механизмов функционирования биолюминесцентных систем, в частности грибов. В настоящее время известно о существовании примерно тридцати различных в химическом отношении систем биолюминесценции, однако структуры субстратов установлены только для девяти систем, и лишь для пяти изучены механизмы реакции. Одной из самых загадочных до недавнего времени оставалась биолюминесцентная система грибов. Ранее предполагалось, что система грибной биолюминесценции в общих чертах аналогична системе биолюминесценции бактерий, а реакция проходит по классической люциферин-люциферазной схеме. Установление химической структуры ключевого участника реакции грибной биолюминесценции – люциферина 3-гидроксигиспидина, который был впервые выделен, расшифрован и химически синтезирован авторами данного проекта [K.V.Purtov, V.N. Petushkov, M.S.Baranov, K.S.Mineev, N.S.Rodionova, Z.M.Kaskova, A.S.Tsarkova, A.I.Petunin, V.S.Bondar, E.K.Rodicheva, S.E.Medvedeva, Y.Oba, Y.Oba, A.S.Arseniev, S.Lukyanov, J.I. Gitelson, I.V.Yampolsky. The chemical basis of fungal bioluminescence. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., Volume 54, Issue 28 (July 6, 2015) p. 8124–8128.], открыло путь к детальному исследованию механизма биолюминесцентной реакции грибов. Наличие синтетического субстрата в любых требуемых количествах позволяет нашей команде начать изучение ферментов, ответственных за генерацию света и, в итоге, прийти к пониманию молекулярного механизма свечения грибов. Исходя из сказанного, задачей проекта является расшифровка последовательности генов, кодирующих ферменты - люциферазы светящихся высших грибов, на примере тропического гриба Neonothopanus nambi. Дальнейшее получение биотехнологического штамма - суперпродуцента люциферазы снимет ограничение в доступности фермента и позволит перейти к разработке методов аналитического применения биолюминесцентной системы грибов в сферах промышленных биотехнологий и медицины. Поставленная задача обладает абсолютной новизной, так как расшифровка структуры субстрата реакции является химическим базисом исследования любой биолюминесцентной системы, и приоритет в этом открытии дает нам уникальную возможность развивать научное направление биолюминесценции грибов, как научное, так и практическое, в нашей стране и в мире. Настоящий проект представляется особенно актуальным в свете большого потенциала практического применения исследуемой нами новой биолюминесцентной системы. Открытие и исследование новых люминесцентных систем, выяснение химической природы их структурных и регуляторных компонентов имеют большое значение для понимания механизмов преобразования энергии химических связей в кванты света, что является одной из фундаментальных задач биофизики. В биологии такие исследования помогают полнее проследить эволюционные пути, а также приблизиться к разгадке возникновения и значения люминесценции для биохимии и этологии живых организмов. С практической точки зрения, каждое такое открытие расширяет спектр анализируемых веществ, приводит к разработке новых методов мониторинга окружающей среды, технологических и биологических процессов. Сегодня биолюминесцентный анализ на основе систем светляков и бактерий применяются в широком круге практических задач – это визуализация и мониторинг процессов жизнедеятельности клеток и целых организмов; качественный и количественный анализ различных аналитов, а также различных белков и низкомолекулярных соединений; измерение активности ферментов; клинические анализы и тест-системы для скрининга лекарственных кандидатов. Для решения поставленной задачи будет применен комплексный междисциплинарный подход, включающий методы и инструментальные возможности биохимии, биофизики, молекулярной биологии, генной инженерии. В составе рабочей группы представлены специалисты, компетентные по каждому из этих методов. Успешное выполнение проекта позволит впервые установить детальный механизм люминесцентной реакции светящихся грибов и получить новую биолюминесцентную систему, пригодную для решения практических аналитических задач в биотехнологии и медицине. Выполнение проекта также внесет существенный вклад в раздел современной биохимии, посвященный люминесценции живых организмов. У России будет приоритет установления механизма реакции грибной биолюминесценции с перспективой создания на его основе широкого спектра аналитических применений для биотехнологии и медицины, обладающих патентной чистотой.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Котлобай А.А, Саркисян К., Мокрушина Ю., Маркет-Хоубен М.,Серебровская Е., Маркина Н., Сомермеер Л.Г., Гороховатский А., Пуртов К.В., Петушков В.Н., Родионова Н.С., ... Genetically encodable bioluminescent system from fungi PNAS, vol. 115 no. 49 (год публикации - 2018)
10.1073/pnas.1803615115

2. Пуртов К.В., Гороховатский А.Ю., Котлобай А.А., Осипова З.М., Петушков В.Н., Родионова Н.С., Царькова А.С., Чепурных Т.В., Ямпольский И.В., Гительзон И.И. Isolation and Purification of Fungal Luciferase from Neonothopanus nimbi Doklady Biochemistry and Biophysics, Volume 480, Issue 1, May 2018, P. 177-180 (год публикации - 2018)
10.1134/S1607672918030134

3. Ямпольский И.В., Пуртов К.В. New bioluminescence systems: luciferins, luciferases and luciferin biosynthesis pathways FEBS OPEN BIO, V. 8 P.: 26-26 (год публикации - 2018)
10.1002/2211-5463.12449

4. Царькова А.С., Каськова З.М., Ямпольский И.В. A Tale Of Two Luciferins: Fungal and Earthworm New Bioluminescent Systems Accounts of Chemical Research, 49 (11), pp 2372–2380 (год публикации - 2016)
10.1021/acs.accounts.6b00322

5. Каськова З.М., Дёрр Ф.А., Петушков В.Н., Пуртов К.В., Царькова А.С., Родионова Н.С., Михеев К.С., Гугля Е.Б., Котлобай А.А, Балеева Н.С., Баранов М.С., Арсеньев А.С., Гительзон И.И., Лукьянов С., Ямпольский И.В. ... Mechanism and color modulation of fungal bioluminescence Science Advances, Vol. 3, no. 4, e1602847 (год публикации - 2017)
10.1126/sciadv.1602847

6. Ямпольский И.В. Fungal bioluminescence system: luciferin, luciferase and luciferin biosynthesis FEBS Journal, 284 (Suppl. 1) (2017) p. 189, P.1.3-027 (год публикации - 2017)
10.1111/febs.14174

7. Баранов М.С.; Каськова З.М.;Гритченко Р.; Постикова С.Г.; Ивашкин П.Е.; Кислихин А.А.; Москвин Д.И.; Минеев К.С.;Арсеньев А.С.; Лабас Ю.А.; Ямпольский И.В. Synthesis of Panal Terpenoid Core Synlett (год публикации - 2016)
10.1055/s-0036-1588104

8. Пуртов К. В., Осипова З. М., Петушков В. Н., Родионова Н. С., Царькова А. С., Котлобай А. А., Чепурных Т. В., Гороховатский А. Ю., Ямпольский И. В., Гительзон И. И. Структура оксилюциферина грибов – продукта реакции биолюминесценции ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, том 477, № 2, с. 245–248 (год публикации - 2017)
10.7868/S0869565217320226

Публикации