Bioluminiscencia

Bioluminiscencia

La bioluminiscencia es un proceso bioquímico, por el que los organismos tienen la capacidad de transformar la energía química procedente de una reacción exergónica en energía lumínica. Ciertos organismos vivos producen luz como resultado de este proceso.

Bioquímicamente es el proceso a través del cual, los organismos vivos producen luz resultado de una reacción bioquímica en la que comúnmente interviene una enzima llamada luciferasa. La reacción sucede de la siguiente manera: el oxígeno oxida el sustrato (una proteína llamada luciferina); la luciferasa acelera la reacción, y el ATP proporciona la energía para la reacción, produciéndose agua y luz, la cual es muy notoria durante la noche. En este proceso se llevan a cabo reacciones luciferina-luciferasa, en las que una sustancia proteica luminiscente (luciferina) es oxidada por la acción catalizadora de una enzima (luciferasa). La reacción es muy rápida y perdura mientras el organismo esté siendo iluminado. Dependiendo del organismo, es la composición química de la luciferina y luciferasa, lo cual provoca coloraciones diferentes de luminiscencia.

Panellus Stipticus, un hongo bioluminiscente

En siglo XV Robert Boyle descubrió que los hongos bioluminiscentes dejaban de producir luz cuando eran introducidos en un recipiente sin oxígeno, el motivo de este fenómeno no se conoció con detalle hasta las últimas décadas. Los hongos observados por Boyle empleaban el mecanismo de iluminación extracelular a través de la molécula luciferina, activada con la enzima luciferasa. Para que tenga lugar la reacción, la luciferina necesita oxígeno, lo que explica el proceso bioluminiscente.

La bioquímica del proceso

Las primeras investigaciones sobre los fundamentos químicos de la bioluminiscencia se atribuyen al farmacólogo francés Raphaël Dubois. Entre 1885 y 1892, trabajó con dos especies de animales bioluminiscentes (las luciérnagas tropicales del género Pyrophorus y el molusco bivalvo Pholas dactylus), refutó la teoría del fósforo, vigente hasta entonces, y demostró que el fenómeno de la emisión biológica de luz no era más que un proceso de oxidación enzimática en el que intervenían dos sustancias: una de ellas, termorresistente, se consumía en presencia de la otra, que actuaba como catalizador termolábil. El propio Dubois llamó luciferina a la primera de ellas, y luciferasa a la segunda.

En comparación con los procesos quimioluminiscentes, los procesos bioluminiscentes se caracterizan por un alto rendimiento cuántico de los procesos quimioluminiscentes, mientras que el rendimiento cántico de los procesos bioluminiscentes, la enzima es quien desarrolla el papel importante. En este proceso se llevan a cabo reacciones luciferina-luciferasa, en las que una sustancia proteica luminiscente (luciferina) es oxidada por la acción catalizadora de una enzima (luciferasa). La reacción sucede de la siguiente manera: el oxígeno oxida el sustrato (una proteína llamada luciferina); la luciferasa acelera la reacción, y el ATP proporciona la energía para la reacción, produciéndose agua y luz. La reacción es muy rápida y perdura mientras el organismo esté siendo iluminado.

La luciferina (L) se modifica mediante utilización de oxígeno por las luciferasas, ahí se forma un intermediario I y por último en un sustrato activo eléctricamente P*. Después de un corto tiempo de vida se emiten fotones y el sustrato base P se alcanza.

Fórmula estructural de la D-Luciferin de la luciérnaga Photinus pyraliLuciferasa y luciferinas. Se le acorta como LH₂

Lucisa

La Luciferasa es una enzima que cataliza la oxidación de la luciferina, una proteína que emite luz. En la estructura química de la Luciferina el grupo carboxílico de la luciferina reacciona con el grupo fosfato de ATP, así se forma el luciferaldenilato. El producto final de la reacción enzimática de oxidación de luciferina es su cetoderivado, que es la oxiluciferina. La temperatura óptima de la reacción de la luciferasa es de 25ºC, ya que a temperaturas mayores la enzima se inactiva, y a temperaturas menores la velocidad de reacción disminuye.

Organismos bioluminiscentes

El fenómeno de la bioluminiscencia lo podemos observar en organismos como en luciérnagas, en algunos hongos y bacterias, pero principalmente, en especies marinas. Existen peces que usan la luz emitida para atraer a la hembra o a su presa, iluminándola para facilitar el ataque, o como mecanismo de defensa para confundir al depredador y escapar.

Luciérnagas

Bioluminiscencia en el Santuario de las luciérnagas.

Las luciérnagas se iluminan gracias a que se encuentra en sus abdómenes un compuesto orgánico llamado luciferina. A medida que el aire entra como una ráfaga al abdomen de las luciérnagas, el aire reacciona con la luciferina, produciendo el familiar brillo verdoso amarillento siendo ésta una forma muy eficiente para comunicarse en la noche.

En la reacción bioluminiscente catalizada por la enzima luciferasa de las luciérnagas, además de las moléculas de luciferina y oxígeno participa la molécula de adenosín trifosfato (ATP). La enzima luciferasa de las diferentes especies de luciérnagas varía un poco en la estructura primaria, en la dependencia al pH del proceso catalítico y en algunos parámetros cinéticos. Sin embargo, el esquema de la reacción y la estructura de la luciferina son semejantes para diversas luciferasas.

Reacción catalizada por las enzimas de las luciérnagas.

La reacción catalizada por la enzima de luciérnagas se describe con el siguiente esquema estequiométrico. En donde E es la luciferasa; LH₂ es la luciferina; PPi es pirofosfato inorgánico y P es el producto de la reacción (oxiluciferina). La estequiometría de la reacción es la siguiente: por cada molécula de luciferina se gasta una molécula de oxígeno y se forma una molécula de dióxido de carbono. Se propone que la luciferina, los iones de Mg²⁺ y el ATP tienen sitios de unión independientes en la enzima.

Durante la reacción de la luciferina se transforma en un acromóforo. Se han reportado tres isómeros de este cromóforo depende del pH y polaridad del medio.

Bioluminiscencia de Arachnocampa luminosa en una cueva de Nueva Zelanda.

Otra especie conocida por el proceso bioluminiscente que realiza es Arachnocampa luminosa de Nueva Zelanda un mosquito micetofílido (comedor de setas) que en estado larvario segrega hilos como las arañas para atrapar a otros insectos dentro de las cuevas donde habita. Las sedas pueden medir 30 cms. y están cubiertas de sustancias pegajosas en las que quedan atrapadas sus víctimas.

Organismos marinos

La bioluminiscencia se observa en una amplia variedad de organismos marinos, los cuales incluyen: bacterias, dinoflagelados, radiolarios, hongos, ctenóforos, cnidarios, anélidos, moluscos, artrópodos, equinodermos, tunicados y peces. Estos organismos utilizan la bioluminiscencia para funciones esenciales que van desde la defensa hasta la reproducción. La capacidad de producir luz siempre implica la reacción quimioluminiscente, en donde el sustrato emisor de luz (una luciferina) es oxidada por una enzima específica (una luciferasa). Luciferinas y luciferasas son altamente variables en su estructura química y secuencia de proteínas, por esta razón se piensa que la bioluminiscencia surgió independientemente muchas veces durante la evolución. La coelenterazina es la luciferina predominante observada en el medio ambiente oceánico y es el tipo específico de luciferina utilizado en la bioluminiscencia de medusas (Phylum Cnidaria) y gelatinas de peine, o ctenophores (Phylum Ctenophora).

Bacterias

Cultivo de bacterias bioluminiscentes

Las bacterias marinas, también son organismos abundantes luminiscentes; las hay de vida libre o simbióticas, que viven en la superficie de otros organismos marinos o dentro de sus cavidades, por ejemplo dentro de su tracto digestivo. Los invertebrados, como los ctenóforos, crustáceos, cefalópodos, salpas, así como algunos vertebrados marinos (peces de profundidad) producen bioluminiscencia. Aunque en todos estos grupos el mecanismo de la bioluminiscencia es similar, el mecanismo por el que cada organismo produce luz, varía en la complejidad molecular de la luciferina y luciferasa, lo que da el color a la luz emitida. Las especies de bacterias marinas mayormente estudiadas son Vibrio harveyi y Vibrio fischeri . Se sabe que V. harveyi puede estar asociado al intestino de algunos animales marinos o encontrarse como un microorganismo de vida libre en el océano; mientras que V. fischeri además de encontrarse en estos hábitats también vive en cultivo puro como simbionte de los órganos productores de luz en varios peces y calamares. Está bien establecido que las bacterias bioluminiscentes emiten luz sólo cuando existe alta densidad celular; una sola célula bacteriana de vida libre en el océano no se espera que emita luz. El entendimiento del mecanismo de esta regulación provee los principios básicos de la emisión de luz por parte de las bacterias marinas y a su vez, auxilia en el entendimiento de los mecanismos de comunicación celular, mejor conocida como quorum sensing. Se propuso como hipótesis que la bioluminiscencia en estos microorganismos, estaba regulada por moléculas mensajeras que viajaban entre las células. Se llamó a estos mensajeros, “autoinductores”

Medusas

Medusa Aequorea victoria, organismo bioluminiscente

Un claro ejemplo de bioluminiscencia en organismos marinos son las medusas, las cuales utilizan fotoproteínas (proteínas del dominio de unión al calcio EF relacionadas con la calmodulina, la troponina C, la miosina, la espectrina y la proteína de unión sarcoplásmica)  como la aequorina, de la medusa hydromedusas Aequorea victoria, y la mnemiopsina, del ctenóforo Mnemiopsis leidyi.  Casi todos los ctenophores son capaces de tener bioluminiscencia, produciendo destellos de luz en las células productoras de luz (fotocitos) tras la estimulación en condiciones de oscuridad.

Proteína verde fluorescente (GFP)

Aequorea victoria tiene un anillo marginal de bioluminiscencia verde, que aparece en ciertas condiciones; esta peculiaridad, descrita por primera vez en 1955, protagonizó el Premio Nobel de Química en 2008. En el origen, un solo “agente”: la proteína verde fluorescente (GFP por sus siglas en ingles). Osamu Shimomura descubrió la acuorina, proteína de medusa que brilla en presencia de calcio. La acuorina emite luz azul, mientras que la medusa brilla en verde, debido a que la GFP absorbe la emisión de la acuorina, ocurre una reacción y, como resultado final, el brillo es verde.

GFP no necesita enzimas específicas para adoptar su plegamiento “brillante”; es un proceso espontáneo. La reacción química del fluoróforo para el brillo sólo requería oxígeno, disponible en la mayoría de las células vivas. Al conocer cómo se formaba el fluoróforo de la GFP, se procedió a su manipulación. Intercambiando aminoácidos diferentes en distintas partes de la cadena obtuvo nuevas versiones de GFP más brillantes, que absorbían luz a diferentes longitudes de onda, y emitían en colores diversos: cian, azul y amarillo. Tsien y col. trasladaron estos conocimientos sobre GFP a una proteína fluorescente de color rojo en coral, otro marcador biológico potencial.

Una característica importante de la GFP es que no necesita aditivos para brillar, en contraste con otras proteínas bioluminiscentes; es suficiente irradiarla con luz UV o azul para que emita fluorescencia.

Calamares

El Vampyroteuthis Infernalis, comúnmente nombrado 'calamar vampiro' está emparentado con pulpos y calamares pero en realidad se trata de una reliquia filogenética, el único representante vivo del orden Vampyromorphida. Este tiene características diferentes, por ejemplo, el color negro que lo distingue. Sus largos tentáculos forman una capa negra que similar a la de los vampiros. Tienen formas parecidas a retoños que son difíciles de ver a

Algunos calamares hacen uso de bioluminiscencia para atraer a sus presas.

menos que se les mire de cerca. Utiliza grandes ojos de 2,5 centímetros para detectar el más mínimo destello de movimiento, y despliega bioluminiscencia azul oscuro para encubrir su gelatinoso cuerpo por debajo de los depredadores cuando se desplaza a mayores profundidades. Otro aspecto interesante es que al igual que muchos cefalópodos de aguas profundas, el calamar vampiro carece de depósitos de tinta, en caso de amenaza desde la punta de sus brazos expulsa una pegajosa nube de moco bioluminiscente. Esta cortina luminosa, que puede permanecer casi 10 minutos, sirve para confundir a los posibles depredadores y le permite escurrirse entre las sombras, sin necesidad de nadar muy lejos. Este recurso sólo se usará si el animal se ve acorralado, ya que regenerar el moco bioluminiscente es algo muy costoso desde el punto de vista metabólico.El propio animal está cubierto enteramente de órganos productores de luz llamados fotóforos sobre los que tiene un gran control, y es capaz de producir flashes de luz que desorienten a los predadores desde fracciones de segundo a varios minutos de duración. La intensidad y tamaño de los fotóforos también puede ser modulada. Esto es de gran importancia ya que en la zona menos profunda de las profundidades donde vive el calamar vampiro, la vista desde abajo es como el cielo durante el crepúsculo: los extremadamente sensibles ojos de los habitantes de las profundidades son capaces de distinguir las siluetas de otros animales nadando por encima. Para contrarrestar eso, el calamar vampiro genera su propia luz azulada (bioluminiscencia) en una estrategia denominada "contrailuminación": la luz difumina la silueta del animal, enmascarando de forma efectiva a los ojos vigilantes de debajo.

Bioluminiscencia causada por protozoarios dinoflagelados. Toma en la cercanía de A Carlsbad (California, Estados Unidos)

Algunos dinoflagelados, como por ejemplo Pyrodinium bahamense, tienen la capacidad de producir luz cuando las condiciones ambientales han sido muy favorables y su población ha sufrido un crecimiento exponencial una reacción luminosa.

La luminiscencia de un dinoflagelado es visible en la oscuridad para el ojo humano debido a que emiten cerca de 6 e⁹ fotones en 0.1 segundo. Algunas medusas emiten cerca de 2e¹¹ fotones por 10 segundos.

Regulación génica

Disposición de los marcos abierto de lectura para el operón luxCDABE en bacterias marinas luminiscentes.

La regulación génica del proceso de bioluminiscencia en organismos como bacterias, está controlado mediante el operón luxCDABE, en donde es regulado a partir de cinco genes estructurales requeridos para la emisión de luz: los genes luxC, luxD y luxE son los encargados de codificar para el complejo reductasa de los ácidos grasos necesarios para reciclar el sustrato aldehído, mientras que los genes luxA y luxB, codifican para las subunidades α y β de la enzima oxidativa luciferasa.

La expresión del operón lux es regulado a nivel de traducción y transcripción. El gen luxR codifica para una proteína reguladora, mientras que el gen luxI es responsable de la síntesis de un autoinductor. A mayor densidad celular, un aumento en la concentración de la proteína luxR, obligado por el autoinductor, conduce a la activación del operón luxICDABE, que conlleva a la producción de luz. Posteriormente, la concentración de la proteína reguladora por medio del gen luxR se vuelve limitante, ya que el complejo proteína-autoinductor del gen luxR, va a inhibir la traducción del transcrito gen luxR.

Expresión del operón lux a partir de diferentes tipos de genes que codifican una función regulatoria de algunas bacterias marinas.

Los operones lux también son regulados por coacción catabólica, porque sus promotores contienen sitios de unión a cAMP (adenosin monofosfato cíclico). Las enzimas inducibles presentan funcionalidad bajo ciertas condiciones; para muchos autores, la inducción de estas enzimas está mediada por nutrientes específicos, para los que no se producen constantemente las enzimas. Por otra parte, la inducción en la síntesis de algunas enzimas, es frecuentemente reprimidas por la glucosa, incluso en presencia del inductor, la cual puede ser superada por medio del cAMP exógeno; la represión de la glucosa y la inversión por cAMP es a lo que se le llama represión catabólica.

Aplicaciones biotecnológicas

Las proteínas bioluminiscentes son herramientas bioquímicas invaluables con aplicaciones en una amplia variedad de campos incluyendo los análisis de expresión de genes, descubrimiento de medicamentos, estudio de la dinámica de las proteínas y mapeo de las vías de traducción de señales. Las proteínas mayormente reportadas son luciferasas, que permiten una detección de alta sensibilidad y poseen características peculiares como un alto rendimiento cuántico y ausencia de toxicidad cuando se expresadas en células o en organismos diferenciados. Se han llevado a cabo extensos estudios para alterar las propiedades de las proteínas fluorescentes, dejando como resultado proteínas mutantes con diferentes ondas de emisión. Las proteínas bioluminiscentes son una alternativa al uso de proteínas fluorescentes debido a su alta sensibilidad en los análisis de detección en muestras biológicas.

Algunas de las aplicaciones biotecnológicas han incluido: La GFP que es producida por la medusa Aequorea victoria. El gen que codifica esta proteína, que ya ha sido clonado, se utiliza como marcador en biología molecular. El descubrimiento y estudio de la GFP amplía la capacidad del microscopio óptico y otorga una nueva dimensión visible al ojo humano. Una característica importante de la GFP es que no necesita aditivos para brillar, en contraste con otras proteínas bioluminiscentes; es suficiente irradiarla con luz UV o azul para que emita fluorescencia permitiendo ver procesos previamente invisibles, como el desarrollo de neuronas, cómo se diseminan las células cancerosas, el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer, el crecimiento de bacterias patogénicas, la proliferación del virus del SIDA, entre otros. Otra de las técnicas aplicadas fue el arcoíris cerebral o brainbow. En 2007, un grupo de investigadores de la Universidad de Harvard desarrolló un mapa para representar el sistema nervioso, el cual, mediante la combinación de proteínas fluorescentes, muestra las neuronas y otras células cerebrales en colores diferentes, permitiendo analizar el sistema nervioso y clasificar los procesos neuronales.

Algunos ratones fueron modificados genéticamente para producir determinadas cantidades de proteínas con colores amarillo, cian y rojo, en células nerviosas individuales del cerebro. El resultado fue un cerebro que brilla con noventa tonalidades diferentes. Los investigadores Cpodían asi seguir las fibras nerviosas de células individuales dentro de una densa red en el cerebro

Dentro de aplicaciones se han logrado crías de mamíferos con tejidos bioluminiscentes, y se habla de experimentar con plantas que tienen distintos propósitos como:

• Árboles luminosos, que podrían disponerse en espacios públicos, o alinearse en autopistas, para aumentar la seguridad y reducir la factura eléctrica pública.
• Árboles de navidad que no requerirían iluminación artificial.
• Plantas con luz biológica que se iluminarían cuando necesitaran agua.
• Métodos para detectar la contaminación bacteriana de alimentos, por ejemplo: productos contaminados con E. coli, los cuales serían detectados al instante, debido a su luz biológica activada en presencia de la bacteria.
• Identificadores biológicos que podrían ser aplicados en todo tipo de organismos para su control y trazabilidad (incluidos los humanos).
• Detectores luminosos de determinadas especies bacterianas en entornos concretos.

Conclusiones

Existe la hipótesis de que la bioluminiscencia que existe hoy en día es el resultado de la evolución: en un principio, cuando la atmósfera terrestre tenía una concentración de oxígeno casi nula y el oxígeno fue aumentando paulatinamente por la presencia cada vez mayor de organismos fotosintéticos, los organismos se liberaban del oxígeno, que en ese entonces era tóxico para ellos, con la reacción de la bioluminiscencia, produciendo agua.