Некоторые виды грибов способны светиться в темноте. На сегодняшний день известно более 100 видов светящихся грибов,
распространённых по всему миру – от тропиков до умеренных широт. Однако точный биохимический механизм грибного свечения долгое время оставался невыясненным. Ранее считалось, что свечение грибов обеспечивается только ферментной системой гидроксилаза – люцифераза, однако механизм оказался гораздо сложнее. Красноярские учёные экспериментально доказали участие системы цитохрома P450 в механизме биолюминесценции высших грибов. Это исследование меняет представления о природе «живого света» и открывает перспективы для применения в биотехнологии, медицине и экологии, в частности для создания новых биосенсоров. Результаты исследования опубликованы в журнале «Asian Journal of Mycology». Об этой работе рассказывает Владимир Станиславович БОНДАРЬ, доктор биологических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией нанобиотехнологии и биолюминесценции Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН.
– В связи с чем и как началась ваша работа по биолюминесценции?
– Инициатором изучения биолюминесценции грибов в нашем институте стал академик Иосиф Исаевич Гительзон, который предложил сотрудникам нашей лаборатории заняться исследованиями механизмов грибного свечения. Для реализации этой задачи требовалась команда разных специалистов‑исследователей, имеющих опыт работы со светящимися живыми организмами. Сотрудники нашей лаборатории имели такой опыт и согласились участвовать в исследованиях грибной биолюминесценции. Надо сказать, что в нашем институте имелась уникальная коллекция культур светящихся организмов CCIBSO 836, которую курировали сотрудники нашей лаборатории. В составе коллекции имелось около 400 штаммов светящихся морских бактерий из разных районов Мирового океана; генно-модифицированные штаммы бактерий Escherichia coli, несущие гены люминесцентной системы природных светящихся бактерий; порядка 40 мицелиальных культур светящихся высших грибов, выделенных в разных климатических зонах планеты (Канада, Сибирь, Вьетнам, Малайзия и др.). Это стало важным подспорьем в работе.
– Как эта работа проводилась?
– Мы начали изучать биолюминесценцию высших грибов при выполнении мегагранта (2011–2013 годы) Сибирского федерального университета, руководителем которого был нобелевский лауреат Осаму Шимомура. Он проявлял очень большой интерес к изучению механизмов грибного свечения. Надо сказать, что в выполнении мегагранта активное участие принимали коллеги из московского Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, которых к исследованиям привлёк академик Гительзон. На момент начала нашей работы механизмы свечения высших грибов были во многом непонятны, а результаты исследований многих авторов неоднозначны и противоречивы. Тут уместно вспомнить французского ботаника и миколога Себастьяна Вайяна, который на рубеже XVII и XVIII веков сделал пророческое заявление: «Грибы – это дьявольское произведение, нарушающее общую гармонию природы, чтобы смущать самых талантливых исследователей и приводить в отчаяние молодых ботаников».
– Думаю, многие грибники с этим никак не согласятся. А вы с ним согласны?
– Как заядлый грибник, я, вероятно, тоже бы не стал соглашаться. А как исследователь – искренне благодарен Себастьяну Вайяну, и вот почему. Ведь он адресовал своё пророческое послание исследователям (в том числе и грядущих поколений), чтобы предостеречь их от ожидания лёгких побед в исследованиях представителей грибного царства и сообщить им о тех трудностях, которые их ожидают на этом пути. И у него были на то основания, поскольку он с гениальной прозорливостью разглядел особое положение царства грибов в живой природе, когда ничего не было известно ни о биохимии, ни о генетике. Это поразительное предвидение подтверждается развитием биологии, указывающим на равноудалённость царства грибов как от животных, так и от растений. Тот же механизм грибной биолюминесценции, который мы сегодня обсуждаем, свидетельствует в пользу этого особого положения грибов. Да, способностью излучать видимый свет грибы обладают наряду с бактериями и животными. (Интересно, что растения в природе такой способностью не обладают, но это тема для отдельного интервью.) Накопленные экспериментальные факты (в том числе и наши) указывают на то, что биохимический механизм этого феномена у грибов имеет принципиальные отличия.
– В чём же эти отличия?
– Главное отличие состоит в том, что излучаемый грибами видимый свет есть результат функционирования разных ферментов и ферментных систем, окисляющих разные субстраты. А у иных светящихся организмов, например, бактерий, светляков, земляных червей, излучение света обеспечивается работой одного фермента – люциферазы, который окисляет один субстрат – люциферин.
– Вы говорите о высших грибах. Что это значит?
– Если коротко, согласно современной классификации, высшие грибы находятся в Подцарстве Dicarya (Neomycota) Царства Грибы (Fungi) ивыделяются в два отдела (филума) – Ascomycota (16 классов) и Basidiomycota (15 классов). По строению мицелия высшие грибы имеют септированный мицелий – их мицелиальный (гифальный) таллом (грибное тело) состоит из тонких ветвящихся нитей (гиф), которые разделены имеющими отверстия перегородками (септами) на отдельные клетки – так называемый клеточный, или септированный, мицелий. При этом у низших грибов мицелий несептированный.
– Получается, свечение грибов известно учёному миру уже давно?
– С одной стороны, излучение высшими грибами видимого в темноте света (биолюминесценция) было известно человечеству с древних времен. Как отмечал в своих работах Харвей, это явление было описано ещё Аристотелем в IV веке до нашей эры и Плинием Старшим в I веке нашей эры. Однако первые пионерские работы, относящиеся к изучению биолюминесценции грибов, были сделаны только в первой половине XIX века. При этом следует заметить, что за последние два столетия исследователями было выявлено значительное количество видов светящихся грибов, большинство из которых принадлежит к классу базидиомицетов – высших грибов. В настоящее время известно более 100 видов базидиомицетов, обладающих видимым в темноте свечением. Светящиеся грибы распространены в разных регионах земного шара (Северная и Южная Америка, Европа, Азия, Австралия, Африка) и особенно часто встречаются в субтропической и тропической зонах с наиболее благоприятными условиями их обитания.
– Что они собой представляют?
– Известно, что светящиеся базидиомицеты являются грибами белой гнили, способными к деградации лигнина и, как правило, сапрофитами (реже – патогенами) растений. На разных стадиях жизненного цикла они излучают зеленоватый свет смаксимумом эмиссии 520–530 нм. При этом у некоторых видов наблюдается свечение всего плодового тела; у иных видов может светиться только шляпка, или только ножка, или только мицелий и ризоморфы. Например, у представителей родов Mycena и Omphalotus могут одновременно светиться мицелий и плодовые тела, а у видов рода Armillarea светятся только мицелий и ризоморфы.
– Удалось ли расшифровать механизм свечения?
– Несмотря на то, что было обнаружено большое количество светящихся видов базидиомицетов, а изучение их биолюминесценции проводилось практически два столетия, структура люминесцентной системы и механизм светоизлучения высших грибов оставались загадкой, в отличие от биолюминесцентных систем бактерий и многих видов животных (жгутиковые, кишечнополостные, черви, насекомые, ракообразные, моллюски, рыбы), которые были расшифрованы. У изучающих грибную биолюминесценцию специалистов не было единого мнения о молекулярно-клеточной организации люминесцентной системы и механизме светоизлучения высших грибов. На момент начала наших работ в этой области считались устоявшимися два представления. Согласно первому, свечение грибов определяется функционированием классической фермент-субстратной системы люцифераза – люциферин. Надо сказать, что впервые грибная биолюминесценция in vitro (в пробирке) была реконструирована Аиртом и Макэлроем только в начале второй половины прошлого столетия. Результаты проведённых ими экспериментов с «холодными» и «горячими» экстрактами из светящихся базидиомицетов позволили предложить двухстадийный механизм грибной люциферин-люциферазной реакции, обеспечивающей свечение in vitro: вначале восстановление люциферина растворимым ферментом в присутствии восстановленного пиридинового нуклеоида (НАДФН или НАДН) с последующим его окислением нерастворимыми частицами люциферазы в присутствии кислорода. Надо добавить, что в новом тысячелетии результаты Аирта и Макэлроя были повторены другими авторами. В то же время ничего не было известно о структуре и свойствах люциферина, восстанавливающего его растворимого фермента и нерастворимых частицах люциферазы.
– А второе представление?
– Согласно второму представлению, свечение грибов обеспечивается окислением органических субстратов грибными оксидазами и происходит без участия специализированного фермента – люциферазы. Этой точки зрения придерживался Осаму Шимомура, основываясь на результатах собственных исследований светящихся грибов. Проанализировав значительный массив доступной нам научной литературы, относящейся к тематике грибной биолюминесценции, мы разделяли мнение Шимомуры.
– Вы подтвердили или опровергли его догадку?
– Догадка и предположения Осаму Шимомуры были верны и подтвердились в ходе наших дальнейших исследований. При этом нам удалось не только найти экспериментальные подтверждения этим догадкам, но и развить совершенно новое представление о биохимических причинах грибной биолюминесценции. Только вдумайтесь: наблюдая в темноте (или регистрируя на приборе) свечение гриба, мы видим результат функционирования сразу нескольких биохимических путей образования квантов видимого света в этом живом организме! Такого никто не мог предполагать. И знаете, в связи с этим мы думаем, что неудачи многих предшествующих исследователей, изучавших биолюминесценцию высших грибов на протяжении многих лет, могли быть связаны со сложившимся представлением о том, что видимый свет в грибах, как и в других живых организмах (о них мы говорили выше), обеспечивается только одной люциферин-люциферазной реакцией. Поэтому все и искали в грибах один фермент (люциферазу) и один субстрат (люциферин).
– Каковы результаты вашей работы?
– Нами был получен ряд принципиально новых данных приоритетного характера, развивающих и дополняющих представления о механизмах грибной биолюминесценции. Отметим только некоторые из них.
Была разработана технология культивирования базидиомицетов, погружённых в жидкую питательную среду при её постоянном орбитальном перемешивании. Такой способ позволил выращивать мицелий грибов в виде шарообразных пеллет (глобул) диаметром от 2 до 7 мм с шероховатой поверхностью, образованной поверхностными гифами. Это интенсифицировало наши исследования, поскольку эксперименты с пеллетами мицелия имели ряд заметных преимуществ: пеллеты можно было легко переносить шпателем из одной жидкой среды в другую и помещать в отдельную пробирку и измерительную кювету; манипуляции с пеллетами осуществлялись при минимальном механическом воздействии на гриб, не нарушая его целостности.
В исследованиях светящегося мицелия базидиомицета Panellus stipticus, выращенного в чашках Петри на твёрдой (агаризованной) питательной среде, методом конфокальной микроскопии впервые были обнаружены локальные светящиеся структуры, ассоциированные с наружной поверхностью субстратных гиф, и светящиеся поля в питательном агаре. Полученные результаты создавали предпосылки для нового представления о возможной организации люминесцентных систем светящихся грибов. Следует сказать, что эти исследования были проведены совместно с коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск).
Впервые из мицелия светоизлучающего базидиомицета Neonothopanus nambi был получен «холодный» экстракт, содержащий ферментную люминесцентную систему, которая обеспечивала свечение экстракта in vitro. Было установлено, что выделенная система представляет собой сложный комплекс, содержащий все компоненты (ферменты и субстраты), необходимые для реакции светоизлучения. Позднее «холодные» экстракты, содержащие активные люминесцентные системы, были получены из мицелия других светящихся высших грибов (в частности Armillaria borealis, Mycena citricolor и Panellus stipticus). Было установлено, что такие экстракты можно лиофильно высушивать и хранить длительное время (до трёх и более лет) в сухом виде с сохранением активности ферментов люминесцентной реакции.
– Вы сказали, что сотрудничаете с коллегами из ИБХ РАН. Есть ли совместные результаты?
– В совместных исследованиях с московскими коллегами из ИБХ РАН было установлено, что предшественником люциферина в люминесцентной реакции базидиомицетов является вторичный метаболит грибов – гиспидин. Из анализа результатов исследований с «холодными» и «горячими» экстрактами из разных видов светящихся грибов (Neonothopanus nambi, Mycena citricolor, Panellus stipticus, Armillaria borealis) был предложен двухэтапный механизм грибной биолюминесцентной реакции. На начальном этапе в присутствии О2 и НАДФН гиспидин гидроксилируется растворимым ферментом НАДФН-зависимой гидроксилазой и преобразуется в люциферин – 3‑гидроксигиспидин (в молекулу гиспидина ферментативно встраивается дополнительная гидроксильная группа (-ОН)). На следующем этапе люциферин окисляется в присутствии кислорода нерастворимой люциферазой с излучением кванта видимого света. В более поздних исследованиях московские коллеги показали, что образующийся в реакции грибного излучения оксилюциферин ферментативно гидролизуется до кофейной кислоты, которая, в свою очередь, является предшественником биосинтеза гиспидина.
– Грибы, как и всё живое, испытывают стресс – например, когда мы их срезаем или срываем. Сказывается ли это на их биохимии и, в частности, процессе свечения?
– Безусловно. На примере исследований с мицелием базидиомицета N. nambi было установлено, что под воздействием стрессовых факторов (механическое повреждение, ионизирующее излучение, инкубация в деионизированной воде) светоизлучение гриба значительно (на порядки) возрастает. Изучение воздействия на гриб ионизирующего излучения было выполнено совместно с коллегами из Института химической кинетики горения и взрыва имени В.В. Воеводского СО РАН (Новосибирск). В экспериментах in vivo (с грибным мицелием) и in vitro (с выделенной из мицелия ферментной люминесцентной системой) был обнаружен эффект значительного повышения уровня световой эмиссии мицелия и системы при добавках пероксида водорода (Н2О2). В свою очередь совокупность приведённых данных позволила высказать гипотезу о структурно-функциональной организации и физико-химических свойствах люминесцентной системы не только базидиомицета N. nambi, но и светоизлучающих грибов в целом. Её суть была изложена в посвящённом люминесценции высших грибов обзоре, который был опубликован мною в соавторстве с мэтрами в области биолюминесценции – Осамой Шимомурой и Иосифом Гительзоном[1]. Согласно предложенной гипотезе, стимулирующими грибное свечение факторами становятся процессы, сопровождающиеся образованием активных форм кислорода (АФК). Активировать их образование может стрессовое воздействие на клеточную стенку гриба (механическое, физическое, химическое) или метаболические изменения в грибе, приводящие к нарушению работы ферментных систем (в частности – ферментов лигнинолитического комплекса, системы цитохрома Р450 и дыхательной цепи) и сопровождающиеся образованием АФК. В свою очередь реакция грибного свечения может обеспечиваться ферментами лигнинолитического комплекса (например, пероксидазами) и системы цитохрома Р450, катализирующими окисление органических субстратов с участием АФК.
– Означает ли это, что загадок в этом явлении для вас больше не осталось?
– Конечно же, это не так – загадок ещё много! Участниками гранта и всем мировым научным сообществом за последнее десятилетие в изучении грибной биолюминесценции были достигнуты заметные успехи, тем не менее некоторые биохимические аспекты этого феномена по-прежнему остаются не до конца понятными и требуют дальнейшего изучения. К примеру, до сих пор открытыми остаются следующие важные вопросы: какой фермент (или ферментный комплекс) выполняет в светящихся базидиомицетах функцию нерастворимой люциферазы? Является ли люциферин-люциферазный механизм единственным механизмом грибного свечения, или генерация квантов видимого света в базидиомицетах осуществляется разными биохимическими путями с участием разных ферментов (или ферментных систем)? Является ли 3‑гидроксигиспидин единственным субстратом грибной люминесцентной реакции? Выяснению этих вопросов и были посвящены наши исследования последние несколько лет, и они продолжаются.
– Каковы эволюционные механизмы свечения у высших грибов?
– Пожалуй, это один из тех сложных вопросов, на который учёные не знают ответов до сих пор. Как полагают исследователи, по-видимому, биолюминесценция возникала в ходе эволюции неоднократно, но совершенно непонятно, сколько раз это происходило и сколько вариантов этого феномена существует. При этом биологическая роль биолюминесценции в жизнедеятельности многих живых организмов до сих пор представляет собой загадку. Один из возможных вариантов её биологического значения в жизнедеятельности живых организмов, ведущих динамический образ существования, может состоять в сигнальной функции, которая обеспечивает, с одной стороны, привлечение добычи в качестве пищи или партнёра для спаривания и размножения; с другой – отвлечение и отпугивание врагов и хищников.
– Неужели грибы так ищут партнёров или отпугивают хищников?
– По нашему мнению, в случае светоизлучающих высших грибов малоубедительно предложенное зарубежными исследователями объяснение, что биолюминесценция необходима грибам для привлечения в ночное время насекомых в качестве переносчиков спор. Во‑первых, такой вывод сделан на основании малокорректного эксперимента – наблюдали, как помещённый в лес искусственный гриб с встроенным освещением в ночное время привлекал насекомых. При этом общеизвестно, что насекомые в ночное время слетаются на световой раздражитель. Во‑вторых, непонятно, привлекают ли светящиеся грибы насекомых в дневное время при ярком освещении. Исходя из предложенного объяснения непонятно, а как же размножаются несветящиеся базидиомицеты. И, наконец, хорошо известно, что споры грибов могут воздушным потоком подниматься на высоту в десятки и сотни метров и разноситься на десятки и сотни километров. Микологи предполагают, что именно таким образом некоторые виды светящихся высших грибов попали на наш Дальний Восток из Японии. В общем, тут ещё много вопросов, на которые хотелось бы ответить.
– Как вы сами думаете, для чего высшим грибам может быть нужно свечение?
– Мы полагаем, что при стационарном (неподвижном) способе существования грибов маловероятна сигнальная роль их биолюминесценции. По нашему мнению, функция грибного свечения – это защита от повреждения АФК, высокий уровень которых может образоваться в организме гриба под воздействием различных стрессовых факторов, о чём мы говорили выше. На наш взгляд, такая версия вполне правомочна, поскольку хорошо согласуется с известной гипотезой, высказанной Макэлроем и соавторами в середине прошлого столетия и получившей развитие во многих последующих работах других авторов. Согласно этой гипотезе, функция биолюминесценции – защита живых организмов от повреждения активными формами кислорода. Поэтому весьма возможна аналогичная функция биолюминесценции и у грибов. Однако мы не можем полностью исключить, что грибная биолюминесценция стала побочным продуктом каких-то метаболических процессов и не имеет собственной функции. Выяснение этого вопроса требует дальнейшего исследования.
– Почему светиться могут только высшие грибы?
– Это ещё один из сложных вопросов. К сожалению, в настоящее время у исследователей нет ответа на этот вопрос. Возможно, на него удастся ответить в будущем.
– Какое принципиально новое знание даёт ваше открытие?
– Результаты проведённых нами исследований, опубликованные за последние два года в отечественных (Биофизика) и зарубежных (Asian Journal of Mycology) журналах[2], дают принципиально новое представление о механизмах светоизлучения высших грибов. Совокупность полученных нами данных указывает на наличие разных биохимических путей генерации квантов видимого света в обладающих биолюминесценцией базидиомицетах с участием разных ферментов (или ферментных систем) и разных субстратов. В свою очередь это позволяет рассматривать регистрируемое (и визуально наблюдаемое) свечение высших грибов как интегральный показатель функционирования разных ферментных систем: системы НАДФН-зависимая гидроксилаза – люцифераза с участием гиспидина; системы цитохрома Р450 с вовлечением в процесс электроннотранспортных ферментных систем (НАДФН-зависимая редуктаза цитохрома Р450 – цитохром Р450 и НАДН-зависимая редуктаза цитохрома b5 – цитохром b5 – цитохром Р450) и гиспидина; оксидазных ферментов лигнинолитического комплекса с участием кофейной кислоты и обнаруженного нами стимулятора грибного свечения in vivo.
– Какие новые фундаментальные и прикладные возможности это открывает?
– Фундаментальный аспект состоит в том, что это совершенно новое объяснение биохимических причин феномена биолюминесценции базидиомицетов, который обеспечивается в живых грибах разными биохимическими реакциями с участием разным ферментов и ферментных систем и разных субстратов. С практической точки зрения это существенно расширяет возможности использования грибного свечения в аналитических приложениях, поскольку генерировать кванты видимого света могут разные ферментные системы, используя разные субстраты.
– Есть ли уже какие-то варианты применения этих возможностей?
– Безусловно. Например, в модельных экспериментах in vitro нами была продемонстрирована применимость люминесцентной системы из светящегося гриба A. borealis для быстрого (минуты) и высокочувствительного (предел выявления 1.3⋅10-11 г) тестирования (измерения) гиспидина в водных пробах. Количество аналита в пробе оценивали по величине светового сигнала, возникающего при проведении люминесцентной реакции и регистрируемого с помощью люминометра. При этом было показано, что стабильность ферментов используемой светоизлучающей системы позволяет проводить многократные определения гиспидина. Это открывает перспективы создания нового высокочувствительного экспрессметода анализа гиспидина в лекарственных препаратах и экстрактах из различных биологических источников. Гиспидин – биологически активное соединение – представляет интерес для медицинских и фармакологических приложений, поскольку это природный антиоксидант, проявляющий ценные фармакологические эффекты: противовоспалительный, иммуномодулирующий, противовирусный, противоопухолевый, цитостатический.
– Можно ли увидеть такие организмы в лесу?
– Мы уже говорили, что светящиеся грибы распространены в разных регионах земного шара, но особенно часто они встречаются в субтропической и тропической зонах с наиболее благоприятными условиями обитания. Поэтому, бывая в ночное время в лесах этих зон, обычный человек может увидеть светящиеся грибы на гниющих древесных остатках. Приведу несколько интересных примеров, связанных со светящимися грибами. Описывая свечение поражённого грибами гниющего дерева, Аристотель назвал это явление «сияющим лесом» и «обманным огнём». Плиний Старший отмечал, что светящиеся белые грибы могут быть найдены во Франции на трухлявых деревьях. Г.Е. Румф писал в своей работе «Herbarium Amboiense», что жители Молуккских островов Индонезии использовали плодовые тела биолюминесцентных грибов для освещения пути в тёмном лесу. Харвей отмечал, что туземцы Микронезии использовали светящие грибы в качестве украшения для ритуальных танцев и раскраски лиц для устрашения врагов, а с другой стороны – светящиеся грибы часто уничтожались, поскольку их появление считалось дурным предзнаменованием.
В России разные виды базидиомицетов рода Armillarea (опята) произрастают в берёзовых лесах, их плодовые тела обладают отменными вкусовыми качествами. К сожалению, у этих грибов видимым свечением обладает только мицелий, который находится под землей, однако при определённой подготовке собранного мицелия его свечение можно увидеть в темноте после адаптации зрения. Как мы уже говорили, на нашем Дальнем Востоке можно встретить светящиеся грибы, споры которых были занесены из Японии. По словам Евгении Мироновны Булах, известнейшего дальневосточного миколога, кандидата биологических наук, ведущего научного сотрудника лаборатории ботаники ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН, в Приморье можно найти японский светящийся гриб, который немного похож на вешенку обыкновенную или липовик-ольховик. Растёт на древесине клёна в сентябре и ночью светится. Но его употребление в пищу вызывает смертельное отравление. А вообще видимое свечение грибов – это удивительное по красоте, завораживающее явление. Нам очень повезло изучать тайны биолюминесценции представителей грибного царства, и мы будем продолжать это делать.
Источник: НИР №1, 2026
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
[1] Bondar V.S., Shimomura O., Gitelson J.I. Luminescence of higher mushrooms (review)//Journal of Siberian Federal University. Biology. – 2012.– V.5.– No.4 – P.331–351.
[2] Ронжин Н.О., Посохина Е.Д., Ле В.М., Могильная О.А., Захарова Ю.В., Сухих А.С., Бондарь В.С. Эффекты кофейной кислоты, гиспидина и обнаруженного стимулирующего компонента на свечение мицелия и люминесцентной системы базидиомицета Neonothopanus nambi//Биофизика.– 2024.– Т. 69.– № 3.– С. 557–564; Ronzhin N.O., Posokhina E.D., Mogilnaya O.A., Bondar V.S. A stimulator of light emission of the luminous fungus Neonothopanus nambi//Asian Journal of Mycology. – 2024. – V.7.– No.1.– P.86–98; Ronzhin N.O., Posokhina E.D., Mogilnaya O.A., Puzyr A.P., Baron A.V., Gitelson J.I., Bondar V.S. The cytochrome P450 system is involved in the light emission of higher fungi//Asian Journal of Mycology. – 2025.– V.8.– No.1.– P.25–36.