Чарівне світло

Фото: J. Marshall, 2005

Фото: William E. Browne, Science

На глибині трьох тисяч метрів, в кромешній темряві, куди сонячні промені ніколи не проникають, живуть чудові риби — глибоководні вудильники. Величезна голова і гострі зуби вудильників можуть налякати кого завгодно. На голові у самок є відросток з приманкою, який світиться в темряві завдяки особливим бактеріям. Так вудильники полюють за допомогою світла.

Ця здатність живих істот випромінювати світло називається біолюмінесценцією (bios перекладається як «життя», а lumen — як «світло»). На сьогоднішній день відомо більше восьмисот видів рослин і тварин, здатних до біолюмінесценції: кальмари, гребенярі, медузи, водорості. Тварини використовують біолюмінесценцію для полювання, спілкування між собою, попередження про небезпеку, для маскування. Креветки Heterocarpus ensifer самі по собі не світяться, але при небезпеці викидають хмарно, що світиться, щоб обдурити хижака і встигнути втекти.

Фото: Sönke Johnsen и Katie Thomas, CC BY SA 2.0

Світіння відбувається завдяки особливим білкам. Всі білки складаються з цеглинок, які називаються амінокислотами. Амінокислоти, у свою чергу, складаються з атомів, ще більш маленьких цеглинок. А атом складається з ядра та електронів, які літають навколо ядра. Так от, коли білок, що світиться, активується, деякі електрони закидаються на більш далеку орбіту. Але електронам там «незручно» 1. І вони повертаються назад, на свою орбіту. При цьому виділяється енергія у вигляді світла.

Деякі ідеї великих відкриттів вченим підказала сама природа. Так вийшло і з біолюмінесценцією. У 2008 році вчені О. Симомура, Р. Тсьєн і М. Чалфі отримали Нобелівську премію за відкриття і використання зеленого білка, що світиться. Симомурі вдалося виділити речовину, що світиться, з медуз Aequorea victoria.

Медуза Aequorea victoria. Фото: Sierra Blakely

Гіпокамп миші. Фото: Journal of Comparative Neurology, V. 519, № 1, фрагмент обкладинки; фото зроблено в лабораторії Григорія Єніколопова

Завдяки цьому білку вченим вдалося побачити деякі невидимі процеси: наприклад, як ростуть клітини мозку — нейрони. Вчені навчилися створювати сині, червоні, жовті білки, що світяться, щоб змусити світитися різні клітини або навіть різні частини однієї клітини різними кольорами. На с. 12 на мікрофотографії мозку (вірніше, його ділянки під назвою гіпокамп) зеленою міткою пофарбовані молоді нервові клітини, синім — ядра дорослих нервових клітин, а червоним — відростки дорослих нервових клітин.

Але вчені на цьому не заспокоїлися. Їм захотілося перевірити: а чи можна керувати поведінкою тварин за допомогою світла? У 2005 році група дослідників (К. Дейссерот, Е. Бойден, Ф. Чжан, Е. Бамберг, Г. Нагель) змогли активувати окремі нервові клітини за допомогою світла. Для цього їм довелося доставити в нейрони мишей ген водорості. Цей ген — інструкція зі складання білка. У результаті нервові клітини стали робити «чужий» світлочутливий білок — опсин — і вбудовувати його в свою оболонку. Опсін може перебувати в двох станах: активному і неактивному. Неактивний опсин просто сидить в оболонці клітини. Активний опсин відкриває в оболонці нейрона пори і по нейрону біжить електричний струм. Світло активує опсин і збуджує нервову клітку. Так за допомогою оптоволоконного кабелю можна активувати або гальмувати окремі клітини мозку, і вченим вже вдалося змусити піддослідну мишу поворушити вусами, повернути ліворуч або направо, почесатися, стати на задні лапи. Ймовірно, водорості доктора Дейссерота і їх опсин скоро принесуть дослідникам Нобелівську премію.

Фото: Karl Deisseroth

Художник Марія Усеїнова

¹ Подробиці див. у статті: В. Сирота. «Будинок для електронів» («Квантік» № 12 за 2018 рік).