Кораллы не обладают глазами, однако это не означает, что они слепы. Эти деликатные организмы воспринимают свет необычными способами, которые продолжают вызывать удивление и вдохновлять ученых. Специалисты из Университета Метрополитен в Осаке обнаружили уникальный механизм восприятия света у кораллов, образующих рифы. Светочувствительные белки, известные как опсины, используют ионы хлора для переключения между чувствительностью к ультрафиолетовому и видимому свету в зависимости от pH окружающей среды. Открытие предполагает наличие уникальной функции, которая расширяет представление о зрении и фоторецепции в животном мире.
Восприятие света животными определяется опсинами – белками, которые используют для улавливания света небольшая молекула ретиналь. Однако ретиналь самостоятельно поглощает только ультрафиолетовое излучение, то есть реагирует на волны более короткой длины, чем те, которые доступны нашему зрению. Для расширения диапазона восприятия до видимого спектра ретиналь взаимодействует с опсином, формируя светочувствительный пигмент посредством химической связи, известной как основание Шиффа. Эта связь характеризуется положительным зарядом, для поддержания стабильности которого обычно необходим отрицательно заряженный противоион или аминокислота.
Беспозвоночные, в том числе кораллы и морские анемоны, содержат опсины, принадлежащие к группе недавно идентифицированных антозоанспецифичных опсинов ASO-II. Эти опсины ASO-II демонстрируют характеристики, отличающиеся от таковых у млекопитающих. По словам Акихисы Теракиты, профессора Университета Метрополитен в Осаке и одного из ведущих авторов исследования, «в некоторых опсинах ASO-II рифообразующих кораллов отсутствуют стандартные аминокислоты-контр-ионы, которые присутствуют в опсинах других животных.
Как же опсины способны воспринимать свет без участия этих аминокислот? Для ответа на этот вопрос исследователи проанализировали опсины ASO-II, обнаруженные у кораллов, формирующих рифы Acropora tenuis.
Используя мутационные эксперименты, спектроскопические методы и детализированное компьютерное моделирование, ученым удалось установить, что опсины ASO-II, в отличие от других белков, используют ионы хлора (Cl⁻) из внешней среды для выполнения функций, обычно возлагаемых на аминокислоты, в качестве противоионов.
«По словам Юсуке Сакаи, автора исследования, ионы хлора оказывают меньшее стабилизирующее влияние на основание Шиффа по сравнению с аминокислотами. Это означает, что опсин способен обратимо изменять свою чувствительность, переключаясь между реакцией на видимый свет и на УФ-излучение, в зависимости от уровня pH».
При заниженном уровне pH концентрация протонов возрастает, вследствие чего основание Шиффа приобретает положительный заряд и начинает поглощать волны большей длины, в том числе и видимый свет. После этого оно стабилизируется посредством хлорирования. В то время как при высоком pH количество протонов уменьшается, что приводит к депротонированию основания Шиффа и его способности поглощать ультрафиолетовое излучение.
Изменение, обусловленное pH, может быть важным с экологической точки зрения. Кораллы существуют в тесном взаимодействии с водорослями, которые благодаря фотосинтезу создают необходимые питательные вещества. Фотосинтез изменяет кислотность среды внутри клеток кораллов, что потенциально влияет на восприимчивость опсинов к видимому и ультрафиолетовому излучению. Таким образом, светочувствительность кораллов может варьироваться в зависимости от активности фотосинтеза водорослей, что позволяет переосмыслить их симбиотические связи.
Помимо более глубокого понимания биологии кораллов, это открытие может послужить фундаментом для разработки новых биотехнологий. Было установлено, что опсин ASO-II Acropora tenuis регулирует уровень ионов кальция в зависимости от освещения, что указывает на возможность его применения в качестве оптогенетического инструмента, чувствительность которого к длине волны меняется в зависимости от pH», — заключил Мицумаса Коянаги, один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале eLife.
[Фото: Юске Сакай / Осакский столичный университет ]