В 2012 году исследователи обнаружили, что старые рабочие термиты Neocapritermes taracua вооружены синими пятнистыми рюкзаками, которые взрываются при угрозе.
У рабочих N. taracua в брюшке есть специализированная пара желез, которые постепенно выделяют фермент голубой лакказ BP76 в карманы на спине. По мере старения термиты накапливают «рюкзаки», наполненные этими синими, содержащими медь голубыми кристаллами.
При встрече с угрозой стареющие рабочие разрывают свои тела, смешивая фермент с относительно безвредными выделениями, вырабатываемыми в слюнных железах. В результате получается липкая жидкость, насыщенная сильно ядовитыми бензохинонами, которые могут обездвижить или убить хищников.
Однако исследователи были озадачены тем, как BP76 может оставаться в твердом состоянии, хранясь на спине термитов, и при этом быть готовым к мгновенной реакции при разрыве.
Новое исследование, опубликованное 15 августа в журнале Structure, разрешило эту загадку, предоставив первую кристаллическую структуру этого фермента с высоким разрешением.
«Трехмерная структура фермента показывает, что BP76 использует различные стратегии стабилизации», — говорится в заявлении ведущего автора исследования Яны Шкерловой, научного сотрудника Института органической химии и биохимии Чешской академии наук.
Фермент плотно сложен, подобно тому, как складывают лист бумаги в компактную форму, что помогает ему противостоять разрушению с течением времени. Еще один слой защиты обеспечивают молекулы сахара, которые прикреплены к белку, образуя защитный экран, который еще больше стабилизирует его.
Одна из самых интригующих особенностей BP76 — редкая и необычайно прочная химическая связь между двумя аминокислотами, лизином и цистеином, вблизи активного сайта фермента. Эта связь не часто встречается в ферментах и играет решающую роль в поддержании структуры BP76, особенно когда фермент хранится в твердом виде на спине термита, обнаружили исследователи.
Эта связь действует как специальный запорный механизм, гарантируя, что фермент сохраняет свою форму и остается полностью функциональным, готовым к мгновенному развертыванию, когда термиту нужно защитить свою колонию.
«Подобно тому, как знание отдельных компонентов прибора проливает свет на его работу, знание трехмерной структуры молекулы помогает нам понять биологический процесс», — говорит соавтор исследования Павлина Ржезачова (Pavlína Řezáčová), структурный биолог из Чешской академии наук.
Способность термитов стабильно хранить и накапливать этот фермент с возрастом очень важна для защиты колонии». В предыдущих исследованиях предполагалось, что, поскольку мандибулы термитов со временем притупляются, старые термиты могут быть не так эффективны в добыче корма и поддержании гнезда, как молодые рабочие.
Взрывая рюкзаки, старые рабочие могут вместо этого специализироваться на последнем, смертоносном акте защиты колонии.
Новое понимание структуры и механизмов действия BP76 не только проливает свет на эволюционные и биохимические аспекты защиты термитов, но и может вызвать интерес в биомиметических исследованиях. Способность термитов создавать и хранить такие стабилизированные ферменты может найти применение в создании устойчивых к разрушению биоматериалов и химических защитных систем. Исследователи надеются, что дальнейшее изучение BP76 сможет привести к инновациям в различных научных и промышленных областях.
Например, понимание механизма самораспада термитов может вдохновить ученых на разработку новых типов биохимических сенсоров или самоуничтожающихся материалов для медицинских приложений. Термиты-камикадзе демонстрируют уникальный пример природной инженерии, где точность и надежность биохимических реакций имеют жизненно важное значение для выживания и безопасности колонии. Это открытие может также помочь в создании новых инсектицидов, которые могли бы эффективно бороться с нежелательными насекомыми без вреда для окружающей среды.
Более того, знание о том, как BP76 сохраняет свою активность и стабильность даже в экстремальных условиях, таких как длительное нахождение в твердом состоянии, может открыть новые горизонты в долгосрочном хранении биологических молекул. Исследования продолжаются, и ученые уже планируют экспериментировать с химическими взаимодействиями и структурными модификациями BP76, чтобы исследовать его потенциальные применения в различных сферах науки и техники.
В конечном счете, термиты-камикадзе из Французской Гвианы могут предложить больше, чем просто удивительное наблюдение за природой. Они могут стать ключом к множеству научных открытий, вдохновляя и направляя исследователей на пути к новому пониманию биологической химии и защищенным системам, основанным на биоразрушении. Наука продолжает разгадывать секреты природы, и каждая новая находка, подобная этой, приближает нас к более глубокому постижению биомиметических приложений и инновационных решений.
