Gli organismi bioluminescenti si sono evoluti dozzine di volte nel corso della storia della vita. Quale biochimica è necessaria per illuminare l'oscurità? Vari studi sono dedicati a questo problema. Immergiti abbastanza in profondità nelle profondità dell'oceano e non vedrai l'oscurità, ma la luce. Il 90% dei pesci e della vita marina che prosperano a profondità di 100 o anche 1000 metri sono in grado di produrre la propria luce. I pesci con torcia elettrica cacciano e comunicano usando una sorta di codice Morse inviato da sacche luminose sotto gli occhi. I pesci della famiglia Platytroctidae sparano inchiostro incandescente ai loro aggressori. I pesci accetta si rendono invisibili emettendo luce nell'addome per simulare la luce solare discendente; i predatori li guardano e vedono solo un bagliore continuo.
Gli scienziati hanno indicizzato migliaia di organismi bioluminescenti in tutto l'albero della vita e si aspettano di aggiungerne altri. Tuttavia, da tempo si chiedono come sia nata la bioluminescenza. Ora, come mostrano studi pubblicati di recente, gli scienziati hanno compiuto progressi significativi nella comprensione delle origini della bioluminescenza, sia dal punto di vista evolutivo che chimico. Nuove intuizioni potrebbero un giorno consentire l'uso della bioluminescenza nella ricerca biologica e medica.
Una delle sfide di lunga data è determinare quante volte si è verificata una singola bioluminescenza. Quante specie le sono arrivate indipendentemente l'una dall'altra?
Mentre alcuni degli esempi più noti di luce negli organismi viventi sono terrestri - si pensi alle lucciole, per esempio - la maggior parte degli eventi evolutivi associati alla bioluminescenza hanno avuto luogo nell'oceano. La bioluminescenza è virtualmente e apparentemente assente in tutti i vertebrati terrestri e le piante da fiore.
Nelle profondità dell'oceano, la luce offre agli organismi un modo unico per attirare prede, comunicare e difendersi, afferma Matthew Davis, biologo presso la Saint Cloud State University in Minnesota. In uno studio pubblicato a giugno, lui ei suoi colleghi hanno scoperto che i pesci che usano la luce per comunicare e segnalare il corteggiamento erano particolarmente comuni. In un periodo di circa 150 milioni di anni - non molto lungo per gli standard evolutivi - tali pesci si sono espansi in più specie rispetto ad altri pesci. Le specie bioluminescenti, che usavano la loro luce esclusivamente per il camuffamento, d'altra parte, non erano così diverse.
I segnali del matrimonio possono essere modificati in modo relativamente semplice. Questi cambiamenti, a loro volta, possono creare sottogruppi nella popolazione, che alla fine si dividono in specie uniche. A giugno, Todd Oakley, un biologo evoluzionista presso l'Università della California, a Santa Barbara, e uno dei suoi studenti, Emily Ellis, hanno pubblicato uno studio che mostrava che gli organismi che utilizzavano la bioluminescenza come segnali di accoppiamento avevano molte più specie e un tasso di accumulo di specie più veloce di i loro parenti stretti che non usano la luce. Oakley ed Ellis hanno studiato dieci gruppi di organismi, tra cui lucciole, polpi, squali e piccoli artropodi, ostracodi.
La ricerca di Davis e dei suoi colleghi era limitata ai pesci con le pinne raggiate, che comprendono circa il 95% delle specie ittiche. Davis ha calcolato che anche in questo gruppo la bioluminescenza si è sviluppata almeno 27 volte. Stephen Haddock, un biologo marino presso il Monterey Bay Aquarium Research Institute ed esperto di bioluminescenza, ha stimato che tra tutte le forme di vita, la bioluminescenza è apparsa indipendentemente almeno 50 volte.
Video promozionale:
Molti modi per accendersi
In quasi tutti gli organismi luminosi, la bioluminescenza richiede tre ingredienti: l'ossigeno, il pigmento luminescente luciferina (dalla parola latina lucifero, che significa “portatore di luce”), e l'enzima luciferasi. Quando la luciferina interagisce con l'ossigeno, tramite la luciferasi, forma una componente eccitata e instabile che l'insieme emette, tornando a uno stato di energia inferiore.
Curiosamente, ci sono molte meno luciferine della luciferasi. Sebbene le specie tendano ad avere una luciferasi unica, molte hanno la stessa luciferina. Solo quattro luciferine sono responsabili della produzione della maggior parte della luce nell'oceano. Dei quasi 20 gruppi di organismi bioluminescenti nel mondo, nove emettono luce dalla luciferina chiamata celenterazina.
Tuttavia, sarebbe un errore credere che tutti gli organismi contenenti celenterazina discendessero da un antenato luminoso. Se così fosse, perché dovrebbero sviluppare uno spettro così ampio di luciferasi, chiede Warren Francis, un biologo dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco. Presumibilmente, la prima coppia di luciferina-luciferasi sarebbe dovuta sopravvivere e moltiplicarsi.
È anche probabile che molte di queste specie non producano celenterazina da sole. Invece, lo ottengono dalla loro dieta, dice Yuichi Oba, professore di biologia alla Chubu University in Giappone.
Nel 2009, un team guidato da Oba ha scoperto che un crostaceo di acque profonde (copepodi) - un crostaceo minuscolo e diffuso - stava producendo la sua celenterazina. Questi crostacei sono una fonte di cibo estremamente abbondante per una vasta gamma di animali marini, così abbondanti da essere chiamati "riso nell'oceano" in Giappone. Pensa che questi crostacei siano la chiave per capire perché così tanti organismi marini sono bioluminescenti.
Entrambi ei suoi colleghi hanno preso gli amminoacidi, che si ritiene siano gli elementi costitutivi della celenterazina, li hanno etichettati con un marker molecolare e li hanno caricati nel cibo per i copepodi. Quindi hanno somministrato questo cibo ai crostacei in laboratorio.
Dopo 24 ore, gli scienziati hanno estratto la celenterazina dai crostacei e hanno esaminato i marcatori aggiunti. Ovviamente, erano ovunque, il che era la prova definitiva che i crostacei sintetizzavano molecole di luciferina dagli amminoacidi.
Anche le meduse che per prime hanno scoperto la celenterazina (e da cui hanno preso il nome) non producono celenterazina da sole. Ottengono la loro luciferina mangiando crostacei e altri piccoli crostacei.
Origini misteriose
Gli scienziati hanno trovato un altro indizio che potrebbe aiutare a spiegare la popolarità della celenterazina tra gli animali di acque profonde: questa molecola si trova anche negli organismi che non emettono luce. Questo ha colpito Jean-François Ries, un biologo dell'Università Cattolica di Lovanio in Belgio, come strano. È sorprendente che "così tanti animali si affidino alla stessa molecola per produrre luce", dice. Forse la celenterazina ha altre funzioni oltre alla luminescenza?
In esperimenti con cellule epatiche di ratto, Reese ha dimostrato che la celenterazina è un potente antiossidante. La sua ipotesi: la celenterazina potrebbe essersi diffusa per la prima volta tra gli organismi marini che vivono nelle acque superficiali. Lì, l'antiossidante potrebbe fornire la protezione necessaria contro gli effetti ossidativi della luce solare dannosa.
Quando questi organismi hanno iniziato a colonizzare le acque oceaniche più profonde, dove la necessità di antiossidanti è inferiore, la capacità della celenterazina di emettere luce è tornata utile, ha suggerito Reese. Nel tempo, gli organismi hanno sviluppato diverse strategie, come la luciferasi e gli organi leggeri specializzati, per migliorare questa qualità.
Tuttavia, gli scienziati non hanno capito come altri organismi, non solo i copepodi Oba, producano la celenterazina. Anche i geni che codificano per la celenterazina sono completamente sconosciuti.
Prendi la gelatina per pettini, per esempio. Queste antiche creature marine - considerate da alcuni il primo ramo dell'albero animale - sono state a lungo sospettate di produrre celenterazina. Ma nessuno è stato in grado di confermarlo, per non parlare di identificare specifiche istruzioni genetiche al lavoro.
L'anno scorso, tuttavia, è stato riferito che un gruppo di ricercatori guidati da Francis e Haddock si è imbattuto in un gene che potrebbe essere coinvolto nella sintesi della luciferina. Per fare questo, hanno studiato i trascrittomi dei ctenofori, che sono istantanee dei geni che un animale esprime in un dato momento. Hanno cercato geni codificati per un gruppo di tre amminoacidi, gli stessi amminoacidi che Oba ha somministrato ai suoi copepodi.
Tra 22 specie di ctenofori bioluminescenti, gli scienziati hanno trovato un gruppo di geni che corrispondono ai loro criteri. Questi stessi geni erano assenti in altre due specie di ctenofori non luminescenti.
Nuovo mondo
Il meccanismo genetico della bioluminescenza ha applicazioni al di fuori della biologia evolutiva. Se gli scienziati riescono a isolare i geni per le coppie luciferina e luciferasi, potrebbero potenzialmente far brillare organismi e cellule, per un motivo o per l'altro.
Nel 1986, gli scienziati dell'Università della California a San Diego hanno modificato e incorporato il gene della luciferasi della lucciola nelle piante di tabacco. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science e mostrava una di queste piante che brillava stranamente su uno sfondo scuro.
Questa pianta non produce luce da sola: contiene luciferasi. Ma affinché questo tabacco risplenda, deve essere annaffiato con una soluzione contenente luciferina.
Trent'anni dopo, gli scienziati non sono ancora stati in grado di creare organismi auto-luminosi usando l'ingegneria genetica, perché non conoscono i percorsi biosintetici per la maggior parte delle luciferine. (L'unica eccezione è stata trovata nei batteri: gli scienziati sono stati in grado di identificare i geni del bagliore che codificano per il sistema batterico luciferina-luciferasi, ma questi geni devono essere modificati per essere utili per qualsiasi organismo non batterico.)
Uno dei maggiori usi potenziali della luciferina e della luciferasi nella biologia cellulare è incorporarle come bulbi nelle cellule e nei tessuti. Questo tipo di tecnologia sarebbe utile per monitorare la posizione delle cellule, l'espressione genica, la produzione di proteine, afferma Jennifer Prescher, professore di chimica presso l'Università della California, Irvine.
L'uso di molecole di bioluminescenza sarà tanto utile quanto l'uso di una proteina fluorescente, che è già utilizzata per monitorare lo sviluppo di infezioni da HIV, per visualizzare i tumori e monitorare i danni alle cellule nervose nella malattia di Alzheimer.
Attualmente, gli scienziati che utilizzano la luciferina per gli esperimenti di imaging devono crearne una versione sintetica o acquistarla a $ 50 al milligrammo. Anche l'introduzione della luciferina dall'esterno nella cellula è difficile: non sarebbe un problema se la cellula potesse produrre la propria luciferina.
La ricerca continua e sta gradualmente definendo i processi evolutivi e chimici su come gli organismi producono luce. Ma la maggior parte del mondo bioluminescente è ancora nell'oscurità.
Ilya Khel
