Российские школьники придумали новый механизм переключения биолюминесценции рыб

Команда школьников из Москвы, Казани, Санкт-Петербурга, Барнаула и Ижевска разработала реалистичный (хотя и теоретический) биохимический механизм переключения цвета свечения фотофоров глубоководных рыб. Ключевая идея состоит в использовании сложного комплекса ферментов и транспортных белков, «включающих» и «выключающих» специальный орган-светофильтр, расположенный перед источником свечения рыбы. Предложенный проект помог им победить на Межрегиональном химическом турнире — крупнейшем в России командном соревновании школьников по решению химических задач открытого типа. Заключительный этап турнира прошел с 1 по 7 февраля в УрФУ имени Ельцина, его результаты доступны в официальной группе мероприятия.

Многие виды глубоководных организмов обладают свечением — оно необходимо как для коммуникации между животными, так и для привлечения пищи, отпугивания хищников и других нужд. Часто источником света становятся бактерии, которые обитают в специальном органе, например, иллиции у глубоководных удильщиков. Такие органы называются фотофорами. Кванты света рождаются в реакции окисления люциферина кислородом при участии ферментов – люцифераз. Цвет свечения фотофоров зависит только от того, каким путем происходит окисление люциферина, поэтому изменить его практически невозможно — для другого пути окисления потребуются совершенно другие белки, бактерии или внутриклеточная среда.

Команда-победитель «Бездна межрегионального угнетения» предложила использовать дополнительный «светофильтр», который включается и выключается благодаря сигнальному каскаду в организме рыбы. Светофильтр предложили разместить перед «колбочкой» фотофора, в которой располагаются бактерии. Подобные конструкции встречаются у рыб рода Malocosteus, обладающих сразу двумя различными фотофорами, один из которых светится зеленым, а другой – красным. Клетки светофильтра, согласно решению команды, должны содержать порфирин. Это вещество является структурным фрагментом молекул гемоглобина и хлорофилла. Порфирин способен к люминесценции, то есть к поглощению света одной длины волны (например, синего) и испусканию света другой длины волны (например, красного или желтого). Во включенном состоянии светофильтр превращал бактериальный синий свет в красный.

Для выключения светофильтра школьники предложили целый каскад ферментативных реакций. Дело в том, что то, какую длину волны света поглощает вещество, очень сильно зависит от его структуры. Если удалить из нее даже один атом углерода, характер поглощения и излучения может радикально измениться. Команда предложила ввести в клетку транспортные белки, которые смогут переносить порфирины через каналы в митохондрии. Там порфирины будут быстро окисляться под действием ферментов. В результате на первой стадии один атом углерода порфиринового кольца будет удален, образуется несветящийся коррин. Это выключит светофильтр и свет фотофора снова станет синим. Также команда описала всю цепочку сигнального каскада, который изменяет цвет свечения.

В состав команды «Бездна межрегионального угнетения» входят молодые химики из школ Москвы (СУНЦ МГУ и школа № 218), Санкт-Петербурга (Аничков лицей), Казани (Лицей имени Лобачевского), Ижевска (Лицей №14) и Барнаула (Гимназия №42). Команде удается победить в турнире уже в третий раз подряд.

Химический турнир заключается в решении набора заранее опубликованных задач открытого типа. Каждая из них требует проведения небольшой исследовательской работы, анализа научной литературы, а иногда и проведения экспериментов. Затем команды встречаются очно и защищают свои решения перед другими командами и комиссией жюри. При этом школьники выступают не только в роли докладчиков, но и оппонентов, и рецензентов.

В финал турнира вышло три команды: «Бездна», nishelA_belG (СУНЦ МГУ) и SPDF (школа №77). Команды докладывали свои лучшие решения. Школьники из «Бездны» выбрали для доклада задачу о переключении свечения глубоководных рыб, nishelA предложила собственную гипотезу образования металлопорфиринов в нефти, а SPDF рассказывали о полимере, который может разлагаться в морской воде, но должен быть устойчив в пресной. Все команды-финалисты приглашены к участию на Международный химический турнир (IChTo-2019), который состоится 20-25 августа 2019 года на Химическом факультете МГУ.

Межрегиональный химический турнир проходит уже девять лет, его в этом году его организаторами выступают Химический факультет МГУ и Уральский федеральный университет. Мероприятие проходит при поддержке генеральных партнеров ПАО «Нижнекамскнефтехим», ПАО «Казаньоргсинтез» и Фонда президентских грантов. В 2018-2019 году в региональных и заочном этапе турнира приняло участие свыше 3600 школьников, на заключительный этап приехало более 200 школьников из 27 регионов России.

Ранее мы уже писали о химических турнирах. К примеру, в МХТ-2018 «Бездна» победила научившись рисовать картины, цвета которых можно легко инвертировать химически. В МХТ-2017 победители представили механизм работы молекулярной машины, работающей по принципу молекулярного циферблата. В международных химических турнирах пока побеждают зарубежные команды (Венгрия в 2017 году и Сингапур в 2018 году).

Владимир Королёв