Luciferázy sú enzýmy, ktoré majú schopnosť katalyzovať reakciu, pri ktorej dochádza k oxidácii substrátu (luciferínu) a následnému vyžiareniu svetla. Tieto enzýmy sú široko rozšírené v prírode a vyskytujú sa v rôznych organizmoch, napríklad u svätojánskych mušiek alebo vo viacerých morských živočíchoch. NanoLuc je luciferáza odvodená od luciferázy z morskej krevety Oplophorus gracilirostris, ktorá bola geneticky upravená tak, aby svojimi vlastnosťami prevyšovala ostatné známe luciferázy. Okrem toho, že NanoLuc je relatívne malý (19 kDa) a veľmi stabilný proteín, je považovaný za doposiaľ najsvietivejšiu luciferázu vôbec. Vďaka týmto vlastnostiam predstavuje NanoLuc jeden z najmodernejších nástrojov v molekulárnej biológii a biochémii na sledovanie a vizualizáciu rôznych biologických procesov v bunkách. V budúcnosti by sa luciferázy taktiež dali využiť pri vývoji ekologicky priaznivej technológie osvetlenia založenej na svietiacich rastlinách, ktorá by mala potenciál znížiť spotrebu elektrickej energie ako aj uhlíkovú stopu (Úvodný obrázok – pohľad na žiariace stromy využívajúce bioluminiscenciu luficerázy ako zdroj svetla).
Hoci NanoLuc luciferáza bola vyvinutá už pred 10 rokmi, spôsob akým funguje nebol doteraz známy. Až teraz v práci „Illuminating the mechanism and allosteric behavior of NanoLuc luciferase“ publikovanej v časopise Nature Communications sme v spolupráci s Prof. Damborským a Dr. Marekom z Masarykovej univerzity vyriešili mechanizmus jej katalýzy. Kombináciou proteínovej kryštalografie s rôznymi biofyzikálnymi a výpočtovými technikami sme zistili, že sa luciferín viaže nielen do katalytického miesta vo vnútri enzýmu, ale aj do alosterického miesta vytvoreného na povrchu enzýmu (Obrázok 1). Navyše, väzba luciferínu do alosterického miesta vedie ku koordinovaným konformačným zmenám, ktoré zabraňujú súčasnému naviazaniu sa luciferínu do katalytického miesta a naopak. Taktiež sme ukázali, že reštrukturalizácia alosterického miesta môže zvýšiť luminiscenčnú reakciu vo vzdialenom aktívnom mieste. Tieto informácie môžu byť veľmi dôležité napríklad pre vývoj novej generácie ultracitlivých bioluminiscenčných reportérov. Celý článok si môžete prečítať na tejto adrese: https://www.nature.com/articles/s41467-023-43403-y.
Obrázok 1. Štruktúra NanoLucu s naviazaným luciferínom v katalytickom a alosterickom mieste znázorňujúca konformačnú zmenu NanoLucu nevyhnutnú pre jeho fungovanie.
Autor článku RNDr. Michal Nemergut, PhD. je prvý autor uvedenej štúdie uverejnenej v špičkovom časopise Nature Communication: Nemergut M, Pluskal D, Horackova J a kol. (2023) Illuminating the mechanism and allosteric behavior of NanoLuc luciferase. Nature Communication 14(1), 7864. doi: 10.1038/s41467-023-43403-y.