У кораллов может не быть глаз, но они далеко не слепы. Эти хрупкие животные воспринимают свет способами, которые продолжают удивлять и вдохновлять научное сообщество. Исследователи 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.
Зрение животных зависит от опсинов — белков, которые улавливают свет с помощью небольшой молекулы под названием ретиналь. Ретиналь, однако, естественным образом поглощает только ультрафиолетовый (УФ) свет, то есть воспринимает более короткие волны, чем видимый нами свет. Чтобы расширить диапазон чувствительности до видимого спектра, ретиналь связывается с опсином, образуя светочувствительный пигмент с помощью особой химической связи, называемой основанием Шиффа. Эта связь имеет положительный заряд, для стабильности которого обычно требуется наличие отрицательно заряженной аминокислоты или противоиона.
Беспозвоночные, такие как кораллы и морские анемоны, содержат опсины, относящиеся к группе антозоанспецифичных опсинов ASO-II, которую открыли недавно. Опсины ASO-II обладают свойствами, отличными от свойств опсинов млекопитающих. «В некоторых опсинах ASO-II рифообразующих кораллов отсутствуют обычные аминокислоты-контр-ионы, которые есть в опсинах других животных», — говорит Акихиса Теракита, профессор Университета Метрополитен в Осаке и один из ведущих авторов исследования.
Так как же опсины вообще «видят» свет без этих аминокислот? Чтобы разобраться в этом вопросе, команда изучила опсины ASO-II у рифообразующих кораллов Acropora tenuis.
С помощью мутационных экспериментов, спектроскопии и целевого расширенного моделирования исследователи обнаружили, что вместо аминокислот опсины ASO-II используют ионы хлорида (Cl⁻) из окружающей среды в качестве противоионов.
«Мы обнаружили, что ионы хлора стабилизируют основание Шиффа слабее, чем аминокислоты, — сказал Юсуке Сакаи, автор исследования. — Таким образом, опсин может обратимо переключаться между чувствительностью к видимому свету и к УФ-излучению в зависимости от pH».
В условиях низкого pH увеличивается количество протонов, что означает, что основание Шиффа становится положительно заряженным и поглощает более длинные волны, включая видимый свет. Затем оно стабилизируется хлоридом. С другой стороны, в условиях высокого рН протонов становится меньше, что делает основание Шиффа депротонированным и поглощающим ультрафиолетовый свет.
Такое переключение, зависящее от pH, может иметь экологическое значение. Кораллы живут в тесном симбиозе с водорослями, которые производят питательные вещества посредством фотосинтеза. Поскольку фотосинтез изменяет pH внутри клеток кораллов, это может привести к изменению чувствительности опсинов к видимому и ультрафиолетовому свету. Это говорит о том, что чувствительность кораллов к свету может меняться в зависимости от фотосинтетической активности водорослей, что позволяет по-новому взглянуть на их симбиотические отношения.
Помимо более глубокого понимания биологии кораллов, это открытие может стать основой для новых биотехнологий. «Было показано, 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.
