Сотрудники НИИ биологии Иркутского государственного университета, изучая разнообразие расцветок байкальских рачков, задались вопросом о механизмах, лежащих в их основе. Почему и как формируется окрас байкальских рачков, какую функцию он несет? Результаты выполненного исследования выявили уникальную специфику эндемиков. Оказалось, что у байкальских амфипод за окраску отвечают ранее неизученные белки, которые у других (не байкальских) ракообразных заняты совсем иными функциями — участвуют в распознавании запахов. Результаты исследования опубликованы в журнале PeerJ. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).

Разнообразие окрасок байкальских эндемичных амф...

Разнообразие окрасок байкальских эндемичных амфипод. Источник: Polina Drozdova et. al. // PeerJ, 2020

Хорошо известно, что цвет ракообразных при тепловой обработке сменяется на ярко-красный. Например, темно-зеленый речной рак после варки становится «вареным» красным. Такое же яркое превращение происходит и с другими его родственниками: омарами, лангустами, креветками и другими широко известными представителями ракообразных. Механизмы, лежащие в основе этого явления, известны уже с середины прошлого века: ярко-красный каротиноид образует голубые или зеленые комплексы с белками, а при разрушении белков высвобождается, придавая ярко-красную окраску тканям рака.

Иркутские ученые, изучая разнообразие расцветок байкальских рачков, задались вопросом о механизмах, лежащих в их основе. По словам Максима Тимофеева, доктора биологических наук, директора НИИ биологии Иркутского государственного университета (ИГУ) и соавтора исследования, в Байкале обитает более 350 видов и подвидов рачков амфипод — разноногих раков (отряд Amphipoda). «Для специалистов-биологов байкальские амфиподы — это уникальная модельная система для изучения механизмов эволюции и адаптации, дающая неисчерпаемые возможности для проведения самых захватывающих исследований. Богатство расцветок байкальских рачков поражает: от практически прозрачных, темно-фиолетовых, красных и ярко-голубых. Разнообразие форм, размеров и раскраски этих удивительных организмов впечатлит любого, кто решит познакомиться с фауной древнего озера», — отмечает Тимофеев.

Биологи решили разобраться с причинами, определяющими такое разнообразие. Специалистам было известно, что при разрушении белков происходит изменение цвета байкальских рачков на оранжевый, что позволило предположить работу механизма, схожего с тем, что работает у речных раков и омаров.

Чтобы найти белки, которые образуют комплексы с каротиноидами у байкальских бокоплавов и меняют их цвет, ученые сравнили белковый состав разных представителей вида Eulimnogammarus cyaneus. Этот массовый вид интересен тем, что несмотря на то, что для него характерна голубая окраска тела с ярко-оранжевыми антеннами, в популяциях встречаются и полностью оранжевые особи. Оказалось, что у оранжевых рачков по сравнению с голубыми резко снижено содержание двух белков. Чтобы изучить белки, ученые определили последовательность их составляющих (аминокислотную последовательность) на секвенаторе, а потом ионизировали их и измерили отношение массы к заряду на масс-спектрометре. Анализ дал необычный результат: белки были иными, ранее не известными для десятиногих раков.

Дополнительные эксперименты подтвердили, что именно эти белки связывают каротиноиды.

«Мы ожидали, что обнаружим белки, похожие на те, что определяют цвет десятиногих раков, а найденные белки вовсе не проявляли существенного сходства ни с какими известными белками из открытой базы данных последовательностей белков Uniprot. Наконец похожие последовательности удалось найти в данных секвенирования других видов бокоплавов и таким образом предположить их происхождение», — рассказывает Полина Дроздова, первый автор статьи, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НИИ биологии ИГУ.

Отличительная особенностью всех этих последовательностей — наличие домена, характерного для семейства феромон/одорант-связывающих белков. Белки этого семейства связываются с феромонами и летучими веществами, участвуя в распознавании запахов. Кроме того, для них характерен небольшой размер и большая стабильность, что в совокупности делает перспективным создание сенсоров на летучие вещества на их основе. В последние годы появляется все больше свидетельств того, что эти белки могут связываться с самыми разными гидрофобными («боящимися» воды) молекулами, но каротиноидов в этом списке еще не было.

«С фундаментальной точки зрения новый подкласс белков является крайне интересным примером независимого развития сходных механизмов окраски на основании разных молекул у разных групп ракообразных. С прикладной точки зрения обнаруженные белки интересны как потенциальный материал для систем разделения сложных смесей органических веществ», — уточняет Полина Дроздова.

Для исследования этой возможности нужно подробнее изучить механизм связывания найденных белков с каротиноидами, чему и посвящены текущие работы по проекту.