На протяжении 140 лет лампа накаливания облегчала повседневную жизнь, преобразуя электричество в свет. Можно ли её вообще заменить? Да, можно…
Ученые Мартин Марек и Мартин Тул из лаборатории Лошмидта, RECETOX, научный факультет МУНИ описали инновационный и в то же время устойчивый способ освещения. Источником вдохновения для ученых являются организмы, живущие на дне морей и океанов, обладающие способностью производить и излучать "холодный" свет, так называемый "холод".
Ученые со всего мира пытались понять этот процесс в течение последних четырех десятилетий, но только ученые из Брно на образце организма, которым был морской коралл renilla purple (Renilla reniformis), раскрыли механизм люциферазной люминесценции. Могло бы это открытие осветить наши улицы в будущем... (?).
Сияющая революция
"Ресурсы нашей планеты не бездонны. Постоянно используются ископаемые виды топлива, которые не являются возобновляемыми, и их массовое использование оказывает негативное воздействие не только на глобальную экосистему, но и на здоровье человека“, - говорит биолог Мартин Марек.
"Люминесцентные ферменты можно было бы использовать в нашей повседневной жизни, а не только в лабораториях, где они обычно используются. "Когда горит электрическая лампочка, выделяется тепло, в то время как люциферазы не выделяют тепло и могут очень эффективно преобразовывать энергию в свет. "Наше открытие представляет собой светящуюся революцию.“.
Ученые выяснили химические этапы, которые являются ключевыми в процессе биолюминесценции. Они показали, где и как богатый энергией субстрат, называемый люциферином, связывается в молекуле фермента. Используя методы структурной биологии и спектроскопические измерения, они нанесли на карту ферментативное окисление люциферина и его превращение в богатый энергией промежуточный продукт, после чего распад и декарбоксилирование приводят к испусканию видимого синего света.
Будущее освещения
Используя метод рентгеновской кристаллографии, ученым из лаборатории Лошмидта удалось запечатлеть светящийся фермент непосредственно в действии. Хотя структура самого фермента была известна ранее, Мартин Марек и Мартин Тул, используя рентгеновскую кристаллографию, смогли отслеживать эту структуру даже в момент связывания люциферина, который затем химически преобразуется для генерации света.
И именно это позволило им подробно описать реакцию, происходящую в ферменте. В своей работе с методами белковой инженерии они также реконструировали предка современного фермента люциферазы renila Violet, раскрыв таким образом секрет его эволюции из изначально несветящихся ферментов.
"Мы разработали несколько возможных предков этого фермента, а затем сравнили их. Благодаря этому у нас есть более точное понимание того, как они эволюционировали друг от друга, и в каких аспектах они постепенно совершенствовались до формы современного высокоинтенсивного светоизлучающего фермента“, - уточнил Мартин Тул процесс поиска.
Однако в настоящее время ученые сталкиваются с другим исследовательским вопросом, а именно, как долго фермент может светить без перерыва. На сегодняшний день в лабораторных условиях люцифераза освещает в течение 48 часов. "Ограничением здесь остается наше незнание того, как живые организмы синтезируют богатый энергией люциферин.
Точно так же, как ядерный реактор нуждается в топливе в виде обогащенного урана, люциферазы также нуждаются в топливе для своей работы, и это именно люциферин“, - говорит Мартин Марек. Исследователи разработали методы химического синтеза люциферинов в лабораторных условиях, но этот процесс экономически неэффективен для практического использования.
"Нам необходимо раскрыть пути биосинтеза, ведущие к образованию люциферинов и их рециркуляции в клетках, чтобы иметь возможность сконструировать генетически закодированный и энергонезависимый источник света", - Марек описывает будущие направления исследований и поиск инвесторов, которые поддержали бы развитие этих технологий.