Organizmy bioluminescencyjne ewoluowały dziesiątki razy w ciągu historii życia. Jaka biochemia jest potrzebna, aby rozjaśnić ciemność? Temu zagadnieniu poświęcone są różne opracowania. Zanurz się wystarczająco głęboko w głębiny oceanu, a zobaczysz nie ciemność, ale światło. 90% ryb i organizmów morskich, które rozwijają się na głębokościach 100, a nawet 1000 metrów, jest w stanie wytworzyć własne światło. Ryby z latarką polują i komunikują się za pomocą swego rodzaju alfabetu Morse'a wysyłanego przez lekkie kieszonki pod oczami. Ryby z rodziny Platytroctidae strzelają do napastników świecącym atramentem. Siekierki stają się niewidzialne, emitując światło w ich brzuchach, aby symulować opadające światło słoneczne; drapieżniki patrzą na nie i widzą tylko ciągłą poświatę.
Naukowcy zindeksowali tysiące organizmów bioluminescencyjnych w całym drzewie życia i spodziewają się, że dodadzą więcej. Jednak od dawna zastanawiali się, jak powstała bioluminescencja. Obecnie, jak pokazują niedawno opublikowane badania, naukowcy dokonali znacznych postępów w zrozumieniu pochodzenia bioluminescencji - zarówno ewolucyjnie, jak i chemicznie. Nowe spostrzeżenia mogą pewnego dnia pozwolić na wykorzystanie bioluminescencji w badaniach biologicznych i medycznych.
Jednym z długotrwałych wyzwań jest określenie, ile razy wystąpiła pojedyncza bioluminescencja. Ile gatunków przybyło do niej niezależnie od siebie?
Podczas gdy niektóre z najbardziej znanych przykładów światła w organizmach żywych pochodzą z ziemi - na przykład świetliki - większość wydarzeń ewolucyjnych związanych z bioluminescencją miała miejsce w oceanie. Bioluminescencja jest praktycznie i najwyraźniej nieobecna u wszystkich kręgowców lądowych i roślin kwiatowych.
W głębinach oceanu światło daje organizmom wyjątkowy sposób na przyciąganie zdobyczy, komunikację i obronę, mówi Matthew Davis, biolog z Saint Cloud State University w Minnesocie. W badaniu opublikowanym w czerwcu on i jego koledzy odkryli, że ryby używające światła do komunikowania się i sygnalizowania zalotów były szczególnie powszechne. W ciągu około 150 milionów lat - niedługo według standardów ewolucyjnych - takie ryby rozprzestrzeniły się na więcej gatunków niż inne ryby. Z drugiej strony gatunki bioluminescencyjne, które wykorzystywały swoje światło wyłącznie do kamuflażu, nie były tak różnorodne.
Sygnały dotyczące małżeństwa można stosunkowo łatwo zmienić. Te zmiany z kolei mogą doprowadzić do powstania podgrup w populacji, która ostatecznie podzieli się na unikalne gatunki. W czerwcu Todd Oakley, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, i jedna z jego studentek, Emily Ellis, opublikowali badania pokazujące, że organizmy wykorzystujące bioluminescencję jako sygnały godowe mają znacznie więcej gatunków i szybszą ich akumulację niż ich bliscy krewni, którzy nie używają światła. Oakley i Ellis badali dziesięć grup organizmów, w tym świetliki, ośmiornice, rekiny i małe stawonogi, małżoraczki.
Badania Davisa i jego współpracowników ograniczały się do ryb płetwiastych, które stanowią około 95% gatunków ryb. Davis obliczył, że nawet w tej jednej grupie bioluminescencja rozwinęła się co najmniej 27 razy. Stephen Haddock, biolog morski z Monterey Bay Aquarium Research Institute i ekspert w dziedzinie bioluminescencji, oszacował, że spośród wszystkich form życia bioluminescencja niezależnie pojawiła się co najmniej 50 razy.
Film promocyjny:
Wiele sposobów na zapalenie
W prawie wszystkich organizmach świecących bioluminescencja wymaga trzech składników: tlenu, emitującego światło pigmentu lucyferyny (od łacińskiego słowa lucyfer oznaczającego „niosący światło”) oraz enzymu lucyferazy. Kiedy lucyferyna oddziałuje z tlenem - poprzez lucyferazę - tworzy wzbudzony, niestabilny składnik, który emituje zestaw, powracając do stanu o niższej energii.
Co ciekawe, lucyferyn jest znacznie mniej niż lucyferazy. Chociaż gatunki mają zwykle unikalną lucyferazę, bardzo wiele ma tę samą lucyferynę. Tylko cztery lucyferyny są odpowiedzialne za produkcję większości światła w oceanie. Z prawie 20 grup organizmów bioluminescencyjnych na świecie dziewięć emituje światło z lucyferyny zwanej koelenterazyną.
Byłoby jednak błędem sądzić, że wszystkie organizmy zawierające koelenterazynę pochodzą od jednego świetlistego przodka. Gdyby tak było, dlaczego mieliby opracować tak szerokie spektrum lucyferazy, pyta Warren Francis, biolog z Uniwersytetu Ludwiga Maksymiliana w Monachium. Przypuszczalnie pierwsza para lucyferyna-lucyferazy powinna przetrwać i rozmnożyć się.
Jest również prawdopodobne, że wiele z tych gatunków nie wytwarza samodzielnie koelenterazyny. Zamiast tego czerpią je z diety, mówi Yuichi Oba, profesor biologii na Uniwersytecie Chubu w Japonii.
W 2009 roku zespół kierowany przez Oba odkrył, że skorupiak głębinowy (widłonogi) - malutki, szeroko rozpowszechniony skorupiak - wytwarzał swoją koelenterazynę. Te skorupiaki są niezwykle bogatym źródłem pożywienia dla szerokiej gamy zwierząt morskich - tak obficie, że w Japonii nazywane są „ryżem w oceanie”. Uważa, że te skorupiaki są kluczem do zrozumienia, dlaczego tak wiele organizmów morskich jest bioluminescencyjnych.
Obaj i jego koledzy wzięli aminokwasy, które uważa się za budulec koelenterazyny, oznakowali je markerem molekularnym i załadowali je do pożywienia widłonogów. Następnie karmili tym pokarmem skorupiaki w laboratorium.
Po 24 godzinach naukowcy wyekstrahowali koelenterazynę ze skorupiaków i przyjrzeli się dodanym markerom. Oczywiście były wszędzie - co było ostatecznym dowodem na to, że skorupiaki syntetyzowały cząsteczki lucyferyny z aminokwasów.
Nawet meduzy, które jako pierwsze odkryły koelenterazynę (i zostały nazwane imieniem), nie wytwarzają własnej koelenterazyny. Zdobywają lucyferynę, jedząc skorupiaki i inne małe skorupiaki.
Tajemnicze pochodzenie
Naukowcy znaleźli kolejną wskazówkę, która może pomóc wyjaśnić popularność koelenterazyny wśród zwierząt głębinowych: tę cząsteczkę można również znaleźć w organizmach, które nie emitują światła. Wydało mu się to dziwne, Jean-François Ries, biologa z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven w Belgii. Zaskakujące jest to, że „tak wiele zwierząt wykorzystuje tę samą cząsteczkę do produkcji światła” - mówi. Być może koelenterazyna ma inne funkcje poza luminescencją?
W eksperymentach z komórkami wątroby szczura Reese wykazał, że koelenterazyna jest silnym przeciwutleniaczem. Jego hipoteza: koelenterazyna mogła po raz pierwszy rozprzestrzenić się wśród organizmów morskich żyjących w wodach powierzchniowych. Tam przeciwutleniacz mógłby zapewnić niezbędną ochronę przed utleniającym działaniem szkodliwego światła słonecznego.
Reese zasugerował, że kiedy organizmy te zaczęły kolonizować głębsze wody oceanu, gdzie zapotrzebowanie na przeciwutleniacze jest mniejsze, przydała się zdolność koelenterazyny do emitowania światła. Z biegiem czasu organizmy opracowały różne strategie - takie jak lucyferaza i wyspecjalizowane narządy świetlne - w celu poprawy tej jakości.
Jednak naukowcy nie odkryli, w jaki sposób inne organizmy, nie tylko widłonogi Oba, wytwarzają koelenterazynę. Geny kodujące koelenterazynę są również całkowicie nieznane.
Weźmy na przykład galaretkę grzebieniową. Te starożytne stworzenia morskie - przez niektórych uważane za pierwszą gałąź drzewa zwierzęcego - od dawna podejrzewano o wytwarzanie koelenterazyny. Ale nikt nie był w stanie tego potwierdzić, nie mówiąc już o zidentyfikowaniu konkretnych instrukcji genetycznych w pracy.
Jednak w zeszłym roku zgłoszono, że grupa badaczy pod kierownictwem Francisa i Plamiaka natrafiła na gen, który może być zaangażowany w syntezę lucyferyny. W tym celu zbadali transkryptomy ctenoforów, które są migawkami genów, które zwierzę wyraża w danym momencie. Szukali genów zakodowanych dla grupy trzech aminokwasów - tych samych aminokwasów, którymi Oba karmił swoje widłonogi.
Wśród 22 gatunków bioluminescencyjnych ctenoforów naukowcy znaleźli grupę genów, które odpowiadają ich kryteriom. Te same geny były nieobecne w dwóch innych nie luminescencyjnych gatunkach ctenoforów.
Nowy Świat
Genetyczny mechanizm bioluminescencji ma zastosowania poza biologią ewolucyjną. Gdyby naukowcy mogli wyizolować geny dla par lucyferyny i lucyferazy, mogliby potencjalnie spowodować świecenie organizmów i komórek z tego czy innego powodu.
W 1986 roku naukowcy z University of California w San Diego zmodyfikowali i włączyli gen lucyferazy świetlika do roślin tytoniu. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Science, przedstawiając jedną z tych roślin, świecącą niesamowicie na ciemnym tle.
Roślina ta sama nie wytwarza światła - zawiera lucyferazę. Aby jednak tytoń świecił, należy go podlać roztworem zawierającym lucyferynę.
Trzydzieści lat później naukowcy nadal nie byli w stanie stworzyć samoświetlnych organizmów przy użyciu inżynierii genetycznej, ponieważ nie znają ścieżek biosyntezy dla większości lucyferyn. (Jedyny wyjątek stwierdzono w przypadku bakterii: naukowcom udało się zidentyfikować geny świecące, które kodują bakteryjny system lucyferyna-lucyferaza, ale te geny muszą zostać zmodyfikowane, aby były użyteczne dla każdego organizmu niebakteryjnego).
Jednym z największych potencjalnych zastosowań lucyferyny i lucyferazy w biologii komórki jest włączenie ich jako cebulek do komórek i tkanek. Ten rodzaj technologii byłby przydatny do śledzenia lokalizacji komórek, ekspresji genów i produkcji białek - mówi Jennifer Prescher, profesor chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine.
Zastosowanie cząsteczek bioluminescencyjnych będzie tak samo przydatne, jak użycie białka fluorescencyjnego, które jest już wykorzystywane do monitorowania rozwoju zakażeń wirusem HIV, do wizualizacji guzów i śledzenia uszkodzeń komórek nerwowych w chorobie Alzheimera.
Obecnie naukowcy używający lucyferyny do eksperymentów obrazowych muszą stworzyć jej syntetyczną wersję lub kupić ją po 50 dolarów za miligram. Wprowadzenie lucyferyny z zewnątrz do komórki jest również trudne - nie byłoby problemu, gdyby komórka mogła wytwarzać własną lucyferynę.
Badania trwają i stopniowo określają procesy ewolucyjne i chemiczne dotyczące sposobu, w jaki organizmy wytwarzają światło. Jednak większość świata bioluminescencyjnego wciąż pozostaje w ciemności.
Ilya Khel
