Organismele bioluminiscente au evoluat de zeci de ori de-a lungul istoriei vieții. Ce biochimie este necesară pentru a lumina întunericul? Diverse studii sunt dedicate acestei probleme. Scufundați-vă suficient de adânc în adâncurile oceanului și veți vedea nu întuneric, ci lumină. 90% din peștii și viața marină care prospera la adâncimi de 100 sau chiar 1000 de metri sunt capabili să producă propria lumină. Lumina de vânătoare cu lanternă și comunică folosind un fel de cod Morse trimis de buzunarele ușoare sub ochi. Peștii familiei Platytroctidae trag cu cerneală strălucitoare atacatorilor lor. Peștii de pălărie se fac invizibili emitând lumină în abdomenul lor pentru a simula lumina soarelui descendentă; prădătorii se uită la ei și nu văd decât o strălucire continuă.
Oamenii de știință au indexat mii de organisme bioluminiscente în întregul arbore al vieții și se așteaptă să adauge mai multe. Cu toate acestea, s-au întrebat de mult cum a ajuns bioluminiscența. Acum, după cum arată studiile publicate recent, oamenii de știință au înregistrat progrese semnificative în înțelegerea originilor bioluminescenței - atât evolutiv, cât și chimic. Noile idei pot permite utilizarea într-o zi a bioluminiscenței în cercetarea biologică și medicală.
Una dintre provocările îndelungate este de a determina de câte ori a avut loc o singură bioluminescență. Câte specii au venit la ea independent una de cealaltă?
În timp ce unele dintre cele mai cunoscute exemple de lumină în organismele vii sunt terestre - cred că licuricele, de exemplu - majoritatea evenimentelor evolutive asociate bioluminescenței au avut loc în ocean. Bioluminescența este practic și aparent absentă în toate vertebrele terestre și plantele cu flori.
În adâncurile oceanului, lumina oferă organismelor o modalitate unică de a atrage prada, de a comunica și de a se apăra, spune Matthew Davis, biolog la Universitatea de Stat Saint Cloud din Minnesota. Într-un studiu publicat în iunie, el și colegii săi au descoperit că peștii care folosesc lumina pentru a comunica și semnalează curtenia erau în special frecvente. Într-o perioadă de aproximativ 150 de milioane de ani - nu după mult timp în conformitate cu standardele evolutive - astfel de pești s-au răspândit în mai multe specii decât alți pești. Speciile bioluminiscente, care își foloseau lumina exclusiv pentru camuflaj, pe de altă parte, nu erau la fel de diverse.
Semnalele de căsătorie pot fi schimbate relativ ușor. La rândul lor, aceste schimbări pot crea subgrupuri în populație, care în cele din urmă se împart în specii unice. În iunie, Todd Oakley, biolog în evoluție la Universitatea din California, Santa Barbara, și una dintre studențele sale, Emily Ellis, a publicat un studiu care arată că organismele care folosesc bioluminescență ca semnale de împerechere aveau multe mai multe specii și o rată mai rapidă de acumulare de specii decât rudele lor apropiate care nu folosesc lumina. Oakley și Ellis au studiat zece grupuri de organisme, inclusiv licurici, caracatițe, rechini și artropode minuscule, ostracode.
Cercetările lui Davis și ale colegilor săi s-au limitat la pești cu aripioare, care cuprind aproximativ 95% din speciile de pești. Davis a calculat că, chiar și în acest grup, bioluminiscența s-a dezvoltat de cel puțin 27 de ori. Stephen Haddock, biolog marin de la Monterey Bay Aquarium Research Institute și expert în bioluminescență, a estimat că printre toate formele de viață, bioluminescența a apărut independent de cel puțin 50 de ori.
Video promotional:
Multe moduri de aprindere
În aproape toate organismele luminoase, bioluminiscența necesită trei ingrediente: oxigenul, luciferina care emite lumină (din cuvântul latin lucifer, însemnând „purtătoare de lumină”) și enzima luciferază. Când luciferina interacționează cu oxigenul - prin luciferază - ea formează o componentă instabilă, instabilă pe care o emite setul, revenind la o stare de energie mai mică.
În mod curios, există mult mai puține luciferine decât luciferaza. Deși speciile tind să aibă o luciferază unică, foarte mulți au aceeași luciferină. Doar patru luciferine sunt responsabile de producerea cea mai mare parte a luminii din ocean. Dintre cele aproape 20 de grupuri de organisme bioluminiscente din lume, nouă dintre ele emit lumină din luciferină numită coelenterazină.
Cu toate acestea, ar fi o greșeală să credem că toate organismele care conțin coelenterazină descendeau dintr-un strămoș luminos. Dacă acesta ar fi fost cazul, de ce ar dezvolta un spectru atât de larg de luciferază, întreabă Warren Francis, biolog la Universitatea Ludwig Maximilian din Munchen. Probabil, prima pereche de luciferină-luciferază ar fi trebuit să supraviețuiască și să se înmulțească.
De asemenea, este probabil ca multe dintre aceste specii să nu producă coelenterazină pe cont propriu. În schimb, o obțin din dieta lor, spune Yuichi Oba, profesor de biologie la Universitatea Chubu din Japonia.
În 2009, o echipă condusă de Oba a descoperit că un crustaceu de mare adâncime (copepoduri) - un crustaceu minuscul, răspândit - își făcea coelenterazina. Aceste crustacee sunt o sursă de hrană extrem de abundentă pentru o gamă largă de animale marine - atât de abundente încât sunt numite „orez în ocean” în Japonia. El crede că aceste crustacee sunt cheia pentru a înțelege de ce atâtea organisme marine sunt bioluminescente.
Ambii și colegii săi au luat aminoacizi, despre care se crede că sunt blocurile de coelenterazină, le-au etichetat cu un marker molecular și le-au încărcat în hrană pentru copepode. Apoi au hrănit acest aliment cu crustacee în laborator.
După 24 de ore, oamenii de știință au extras coelenterazina din crustacee și au privit markerii care au fost adăugați. Evident, erau peste tot - ceea ce era dovada finală că crustaceele sintetizau molecule de luciferină din aminoacizi.
Chiar și meduzele care au descoperit prima coelenterazină (și au fost numite astfel) nu produc coelenterazină proprie. Își obțin luciferina consumând crustacee și alte crustacee mici.
Origini misterioase
Oamenii de știință au găsit un alt indiciu care ar putea ajuta la explicarea popularității coelenterazinei în rândul animalelor de mare adâncime: această moleculă se găsește și în organismele care nu emit lumină. Acest lucru l-a lovit pe Jean-François Ries, biolog la Universitatea Catolică din Lovaina din Belgia, la fel de ciudat. Este surprinzător că „atât de multe animale se bazează pe aceeași moleculă pentru a produce lumină”, spune el. Poate coelenterazina are alte funcții în afară de luminiscență?
În experimentele cu celule hepatice de șobolan, Reese a arătat că coelenterazina este un puternic antioxidant. Ipoteza sa: Coelenterazina s-ar putea să se răspândească mai întâi printre organismele marine care trăiesc în apele de suprafață. Acolo, antioxidantul ar putea oferi protecția necesară împotriva efectelor oxidative ale razelor solare nocive.
Când aceste organisme au început să colonizeze apele oceanelor mai adânci, unde nevoia de antioxidanți este mai mică, capacitatea coelenterazinei de a emite lumină a venit la îndemână, a sugerat Reese. De-a lungul timpului, organismele au dezvoltat diferite strategii - cum ar fi luciferaza și organe ușoare specializate - pentru a îmbunătăți această calitate.
Cu toate acestea, oamenii de știință nu și-au dat seama cum alte organisme, nu numai copepodele Oba, fac coelenterazină. Genele care codifică coelenterazina sunt, de asemenea, complet necunoscute.
Luați jeleu de pieptene, de exemplu. Aceste creaturi marine vechi - considerate de unii drept prima ramură a arborelui animal - au fost de mult timp suspectate că produc coelenterazină. Dar nimeni nu a reușit să confirme acest lucru, cu atât mai puțin să identificăm instrucțiuni genetice specifice la locul de muncă.
Anul trecut, însă, a fost raportat că un grup de cercetători conduși de Francis și Haddock au dat peste o genă care ar putea fi implicată în sinteza luciferinei. Pentru a face acest lucru, ei au studiat transcriptomii ctenoforilor, care sunt instantanee ale genelor pe care un animal le exprimă la un moment dat. Au căutat gene codificate pentru un grup de trei aminoacizi - aceiași aminoacizi pe care Oba i-a alimentat copepodilor săi.
Printre 22 de specii de ctenofori bioluminiscenți, oamenii de știință au găsit un grup de gene care se potrivesc criteriilor lor. Aceste aceleași gene au lipsit în alte două specii de ctenofor non-luminiscente.
Lume noua
Mecanismul genetic al bioluminescenței are aplicații în afara biologiei evolutive. Dacă oamenii de știință pot izola genele perechilor de luciferină și luciferază, ar putea face ca organismele și celulele să strălucească, dintr-un motiv sau altul.
În 1986, oamenii de știință de la Universitatea California din San Diego au modificat și au încorporat gena luciferazei licurici în plantele de tutun. Studiul a fost publicat în revista Science, prezentând una dintre aceste plante care strălucește stralucitor pe un fundal întunecat.
Această plantă nu produce lumină de la sine - conține luciferază. Dar pentru ca acest tutun să strălucească, trebuie udat cu o soluție care conține luciferină.
Treizeci de ani mai târziu, oamenii de știință încă nu au fost capabili să creeze organisme auto-luminoase folosind inginerie genetică, deoarece nu cunosc căile biosintetice pentru majoritatea luciferinelor. (Singura excepție a fost găsită în bacterii: Oamenii de știință au putut identifica genele strălucitoare care codifică sistemul bacterian luciferin-luciferază, dar aceste gene trebuie modificate pentru a fi utile pentru orice organism non-bacterian.)
Una dintre cele mai mari utilizări potențiale ale luciferinei și luciferazei în biologia celulară este încorporarea lor ca bulbi în celule și țesuturi. Acest tip de tehnologie ar fi util pentru urmărirea localizării celulelor, a expresiei genelor, a producției de proteine, spune Jennifer Prescher, profesoară de chimie la Universitatea din California, la Irvine.
Utilizarea moleculelor de bioluminescență va fi la fel de utilă ca și utilizarea unei proteine fluorescente, care este deja utilizată pentru a monitoriza dezvoltarea infecțiilor cu HIV, pentru a vizualiza tumorile și a urmări afectarea nervilor în boala Alzheimer.
În prezent, oamenii de știință care folosesc luciferină pentru experimente imagistice trebuie să creeze o versiune sintetică a acesteia sau să o cumpere la 50 de dolari pe miligram. Introducerea luciferinei din exterior în celulă este, de asemenea, dificilă - nu ar fi o problemă dacă celula și-ar putea face propria luciferină.
Cercetările continuă și definesc treptat procese evolutive și chimice privind modul în care organismele produc lumină. Dar cea mai mare parte a lumii bioluminescente este încă în întuneric.
Ilya Khel
