Bioluminescentni organizmi so se skozi življenjsko zgodovino razvijali več desetkrat. Kakšna biokemija je potrebna za osvetlitev teme? Temu vprašanju so namenjene različne študije. Potopite se dovolj globoko v globine oceana in videli boste ne temo, ampak svetlobo. 90% rib in morskega življenja, ki uspevajo v globinah 100 ali celo 1000 metrov, lahko proizvedejo svojo svetlobo. Svetilke lovijo in komunicirajo z uporabo Morsejeve kode, ki jo pošiljajo svetlobni žepi pod očmi. Ribe iz družine Platytroctidae streljajo žareče črnilo na svoje napadalce. Ribe iz sene se naredijo nevidne tako, da v trebuhu oddajajo svetlobo, da simulirajo padajočo sončno svetlobo; plenilci jih gledajo in vidijo le nenehen sijaj.
Znanstveniki so na drevesu življenja indeksirali na tisoče bioluminescentnih organizmov in pričakujejo, da jih bodo dodali še več. Vendar se že dolgo sprašujejo, kako nastaja bioluminescence. Kot kažejo nedavno objavljene študije, so znanstveniki dosegli pomemben napredek pri razumevanju nastanka bioluminescence - tako evolucijsko kot kemično. Nova spoznanja lahko nekega dne omogočijo uporabo bioluminiscence v bioloških in medicinskih raziskavah.
Eden izmed dolgoletnih izzivov je ugotoviti, kolikokrat se je pojavila ena sama bioluminiscenca. Koliko vrst je prišlo k njej neodvisno drug od drugega?
Medtem ko so nekateri najbolj znani primeri svetlobe v živih organizmih kopenski - na primer miselne kresnice -, se je večina evolucijskih dogodkov, povezanih z bioluminiscenco, odvijala v oceanu. Bioluminescence je skoraj in navidezno odsoten pri vseh kopenskih vretenčarjih in cvetočih rastlinah.
Globoko v oceanu svetloba daje organizmom edinstven način, da privabijo plen, komunicirajo in se branijo, pravi Matthew Davis, biolog z univerze Saint Cloud State v Minnesoti. V študiji, objavljeni junija, je s sodelavci ugotovil, da so ribe, ki uporabljajo svetlobo za komunikacijo in signaliziranje udvaranja, še posebej pogoste. V obdobju približno 150 milijonov let - ne dolgo po evolucijskih standardih - so se takšne ribe razširile na več vrst kot druge ribe. Bioluminescentne vrste, ki so svojo svetlobo uporabljale izključno za kamuflažo, po drugi strani niso bile tako raznolike.
Poročne signale je mogoče relativno enostavno spremeniti. Te spremembe lahko v populaciji ustvarijo podskupine, ki se sčasoma razdelijo na edinstvene vrste. Junija je Todd Oakley, evolucijski biolog na kalifornijski univerzi v Santa Barbari in ena izmed njegovih študentk Emily Ellis, objavil študijo, v kateri so pokazali, da imajo organizmi, ki uporabljajo bioluminescenco kot signale za parjenje, veliko več vrst in večjo hitrost kopičenja vrst kot njihovi bližnji sorodniki, ki ne uporabljajo svetlobe. Oakley in Ellis sta preučevala deset skupin organizmov, vključno z metuljčki, hobotnicami, morskimi psi in drobnimi členonožci, ostracodi.
Raziskovanje Davisa in njegovih sodelavcev je bilo omejeno na ribe z repi, ki obsegajo približno 95% rib. Davis je izračunal, da se je tudi v tej skupini bioluminiscenca razvila vsaj 27-krat. Stephen Haddock, morski biolog iz raziskovalnega inštituta za akvarij v zalivu Monterey in strokovnjak za bioluminiscenco, je ocenil, da se bioluminescence med vsemi življenjskimi oblikami neodvisno pojavi vsaj 50-krat.
Promocijski video:
Veliko načinov vžiga
V skoraj vseh svetlobnih organizmih bioluminiscenca potrebuje tri sestavine: kisik, luciferin, ki oddaja svetlobo (iz latinske besede lucifer, ki pomeni "prenašanje svetlobe"), in encim luciferaza. Ko luciferin komunicira s kisikom - prek luciferaze - tvori vzbujeno, nestabilno komponento, ki jo komplet oddaja, in se vrne v stanje z nižjo energijo.
Zanimivo je, da je luciferinov veliko manj kot luciferaze. Čeprav so vrste ponavadi edinstvene luciferaze, jih ima zelo veliko luciferina. Za proizvodnjo večine svetlobe v oceanu so odgovorni le štirje luciferini. Od skoraj 20 skupin bioluminescentnih organizmov na svetu jih devet oddaja luciferin, imenovan kolenterazin.
Vendar bi bilo zmotno verjeti, da vsi organizmi, ki vsebujejo kolenterazin, izvirajo iz enega svetlobnega prednika. Če bi bilo to tako, zakaj bi razvili tako širok spekter luciferaze, se sprašuje Warren Francis, biolog z univerze Ludwig Maximilian v Münchnu. Domnevno bi moral prvi par luciferin-luciferaza preživeti in se pomnožiti.
Verjetno je tudi, da mnoge od teh vrst ne proizvajajo kolenterazina same. Namesto tega ga dobivajo iz svoje prehrane, pravi Yuichi Oba, profesor biologije na univerzi Chubu na Japonskem.
Leta 2009 je skupina, ki jo je vodil Oba, odkrila, da globoko morski raki (kopepodi) - majhen, zelo razširjen rak - izdelujejo kolenterazin. Raki so izredno bogat vir hrane za številne morske živali - tako bogat, da jih na Japonskem imenujejo "riž v oceanu". Meni, da so ti raki ključni za razumevanje, zakaj je toliko morskih organizmov bioluminescentno.
Oba in njegovi sodelavci so vzeli aminokisline, ki so menda sestavni deli kolelenterazina, jih označili z molekularnim markerjem in jih naložili v hrano za kaparje. Nato so to hrano hranili raki v laboratoriju.
Po 24 urah so znanstveniki iz rakov izločili kolenterazin in si ogledali dodane markerje. Očitno so bili povsod - kar je bil končni dokaz, da so raki sintetizirali molekule luciferina iz aminokislin.
Tudi meduze, ki so prve odkrile kolenterazin (in so dobile ime), sami ne proizvajajo kolenterazina. Luciferin dobijo z uživanjem rakov in drugih majhnih rakov.
Skrivnostni izvor
Znanstveniki so našli še en namig, ki bi lahko pomagal razložiti priljubljenost kolenterazina med globokomorskimi živalmi: ta molekula je tudi v organizmih, ki ne oddajajo svetlobe. Jean-François Ries, biolog s katoliške univerze v Leuvenu v Belgiji, je presenetil. Presenetljivo je, da se "toliko živali za proizvodnjo svetlobe zanese na isto molekulo," pravi. Morda ima kolenterazin poleg luminescence druge funkcije?
V poskusih s celicami jeter podgane je Reese pokazal, da je kolenterazin močan antioksidant. Njegova hipoteza: Koelenterazin se je morda najprej razširil med morske organizme, ki živijo v površinskih vodah. Tam bi antioksidant lahko zagotovil potrebno zaščito pred oksidativnimi učinki škodljive sončne svetlobe.
Ko so ti organizmi začeli kolonizirati globlje oceanske vode, kjer so potrebe po antioksidantih manjše, je prišla na vrsto sposobnost kolenterazina, da oddaja svetlobo, je predlagal Reese. Sčasoma so organizmi razvili različne strategije - kot luciferaza in specializirani svetlobni organi - za izboljšanje te kakovosti.
Vendar znanstveniki niso ugotovili, kako drugi organizmi, ne le koprski kope, tvorijo kolenterazin. Geni, ki kodirajo kolenterazin, so tudi popolnoma neznani.
Na primer vzemite glavnik žele. Ta starodavna morska bitja - za katere nekateri menijo, da so prva veja živalskega drevesa - že dolgo sumijo, da proizvajajo kolenterazin. Toda tega nihče ni mogel potrditi, kaj šele določiti specifična genetska navodila pri delu.
Lani pa je poročalo, da je skupina raziskovalcev pod vodstvom Francis in Haddock naletela na gen, ki je morda vpleten v sintezo luciferina. Da bi to naredili, so preučili prepise ktenoforjev, ki so posnetki genov, ki jih žival v danem trenutku izrazi. Iskali so gene, kodirane za skupino treh aminokislin - enakih aminokislin, ki jih je Oba hranil svojim copepodom.
Med 22 vrstami bioluminescentnih ktenoforjev so znanstveniki našli skupino genov, ki ustrezajo njihovim kriterijem. Ti isti geni so bili odsotni pri dveh drugih neluminiscenčnih vrstah ktenoforjev.
Novi svet
Genetski mehanizem bioluminescence ima zunaj evolucijske biologije. Če lahko znanstveniki izolirajo gene luciferina in luciferraznih parov, bi lahko zaradi takšnih ali drugačnih razlogov žareli organizmi in celice.
Leta 1986 so znanstveniki na kalifornijski univerzi v San Diegu modificirali in vključili gen luciferaze kresnic v tobačne rastline. Študija je bila objavljena v reviji Science, v kateri je prikazana ena od teh rastlin, ki se svetlo in žalijo na temnem ozadju.
Ta rastlina sama ne proizvaja svetlobe - vsebuje luciferazo. Da pa ta tobak sveti, ga je treba zalivati z raztopino, ki vsebuje luciferin.
Trideset let kasneje znanstvenikom še vedno ni uspelo ustvariti samosvetlečih organizmov z uporabo genskega inženiringa, saj biosintetskih poti za večino luciferinov ne poznajo. (Edina izjema je bila ugotovljena pri bakterijah. Znanstveniki so lahko identificirali žareče gene, ki kodirajo bakterijski sistem luciferin-luciferaza, vendar jih je treba spremeniti, da bodo uporabni za nebakterijski organizem.)
Ena največjih možnih uporab luciferina in luciferaze v celični biologiji je njihova vključitev kot čebulice v celice in tkiva. Takšna tehnologija bi bila uporabna za sledenje lokacije celic, izražanja genov, proizvodnje beljakovin, pravi Jennifer Prescher, profesorica kemije na kalifornijski univerzi v Irvineu.
Uporaba molekul bioluminescence bo prav tako koristna kot uporaba fluorescenčnega proteina, ki se že uporablja za spremljanje razvoja okužb s HIV, za vizualizacijo tumorjev in sledenje poškodb živčnih celic pri Alzheimerjevi bolezni.
Trenutno morajo znanstveniki, ki uporabljajo luciferin za poskuse slikanja, ustvariti njegovo sintetično različico ali jo kupiti po 50 dolarjev za miligram. Vnos luciferina od zunaj v celico je tudi težaven - ne bi bil problem, če bi celica lahko naredila svoj luciferin.
Raziskave se nadaljujejo in postopoma opredeljujejo evolucijske in kemične procese, kako organizmi proizvajajo svetlobo. Toda večina bioluminescentnega sveta je še vedno v temi.
Ilya Khel