Bioluminescentni organizmi su se tijekom životne povijesti razvijali deseci puta. Koja je biokemija potrebna za osvjetljavanje tame? Ovom pitanju posvećene su različite studije. Uronite dovoljno duboko u dubine oceana i vidjet ćete ne mrak, već svjetlost. 90% riba i morskog života koji napreduju na dubinama od 100 ili čak 1000 metara sposobni su proizvesti vlastitu svjetlost. Svjetiljka lovi ribu i komunicira koristeći svojevrsnu Morseovu šifru koju su poslali svjetlosni džepovi ispod očiju. Ribe iz porodice Platytroctidae pucaju sjajnom tintom na svoje napadače. Ribe iz sjenke čine se nevidljive ispuštajući svjetlost u trbuh da simulira silaznu sunčevu svjetlost; grabežljivci ih gledaju i vide samo kontinuirani sjaj.
Znanstvenici su indeksirali tisuće bioluminescentnih organizama tijekom cijelog stabla života i očekuju da će ih dodati više. Međutim, dugo su se pitali kako nastaje bioluminescencija. Sada, kako pokazuju nedavno objavljene studije, znanstvenici su postigli značajan napredak u razumijevanju porijekla bioluminescence - i evolucijski i kemijski. Novi uvidi jednog dana mogu omogućiti upotrebu bioluminiscencije u biološkim i medicinskim istraživanjima.
Jedan od dugogodišnjih izazova je utvrditi koliko se puta pojavila jedna bioluminiscencija. Koliko je vrsta došlo na nju neovisno jedna o drugoj?
Dok su neki od najpoznatijih primjera svjetlosti u živim organizmima zemaljski - na primjer, misice, primjerice - većina evolucijskih događaja povezanih s bioluminescencijom odvijala se u oceanu. Bioluminescencija gotovo i naizgled nije prisutna kod svih zemaljskih kralježnjaka i cvjetnica.
U dubinama oceana svjetlost daje organizmima jedinstven način da privuku plijen, komuniciraju i brane se, kaže Matthew Davis, biolog sa Sveučilišta Saint Cloud State u Minnesoti. U studiji objavljenoj u lipnju, on i njegovi kolege otkrili su da su ribe koje koriste svjetlost za komunikaciju i signaliziranje udvaranja posebno česte. Tijekom razdoblja od oko 150 milijuna godina - ne tako dugo prema evolucijskim standardima - takve su se ribe raširile u više vrsta od ostalih riba. Bioluminescentne vrste, koje su svoju svjetlost koristile isključivo za kamuflažu, s druge strane, nisu bile tako raznolike.
Signali braka mogu se relativno lako promijeniti. Te promjene zauzvrat mogu stvoriti podgrupe u populaciji, koje će se na kraju podijeliti u jedinstvene vrste. U lipnju je Todd Oakley, evolucijski biolog sa Sveučilišta u Kaliforniji, Santa Barbara, i jedna od njegovih studentica, Emily Ellis, objavili studiju koja je pokazala da organizmi koji koriste bioluminiscenciju kao signale parenja imaju mnogo više vrsta i brži stupanj nakupljanja vrsta od njihove bliske rodbine koji ne koriste svjetlost. Oakley i Ellis proučavali su deset skupina organizama, uključujući krijesnice, hobotnice, morske pse i sitne člankonožce, ostracod.
Istraživanje Davisa i njegovih kolega bilo je ograničeno na ribe peraje, koje čine otprilike 95% riba. Davis je izračunao da se i u ovoj jednoj grupi bioluminiscencija razvila najmanje 27 puta. Stephen Haddock, morski biolog iz istraživačkog instituta Monterey Bay Aquarium i stručnjak za bioluminiscenciju, procijenio je da se među svim životnim oblicima bioluminescencija neovisno pojavila najmanje 50 puta.
Promotivni video:
Mnogo načina zapaliti
U skoro svim svjetlosnim organizmima bioluminiscencija zahtijeva tri sastojka: kisik, svjetlosni pigment luciferin (od latinske riječi lucifer, što znači „nošenje svjetlosti“), i enzim luciferaza. Kad luciferin komunicira s kisikom - putem luciferaze - formira uzbuđenu, nestabilnu komponentu koju skup emitira, vraćajući se u stanje s nižom energijom.
Zanimljivo je da je puno manje luciferina od luciferaze. Iako vrste imaju jedinstvenu luciferrazu, mnogi ljudi imaju isti luciferin. Samo su četiri luciferina odgovorna za proizvodnju većine svjetla u oceanu. Od gotovo 20 skupina bioluminescentnih organizama u svijetu, devet njih emitira svjetlost iz luciferina koji se zove kolenterazin.
Međutim, bilo bi pogrešno vjerovati da svi organizmi koji sadrže kolenterazin potječu od jednog blistavog pretka. Ako je to slučaj, zašto bi razvili tako širok spektar luciferaze, pita se Warren Francis, biolog sa sveučilišta Ludwig Maximilian u Münchenu. Vjerojatno je prvi par luciferin-luciferaza trebao preživjeti i umnožiti se.
Vjerojatno je i da mnoge od ovih vrsta ne proizvode kolenterazin samostalno. Umjesto toga, dobivaju ga iz prehrane, kaže Yuichi Oba, profesorica biologije na sveučilištu Chubu u Japanu.
2009. godine tim na čelu s Obom otkrio je da duboko morski rak (kopitar) - maleni, rašireni rak - stvara svoj kolenterazin. Ovi rakovi izuzetno su bogat izvor hrane za širok spektar morskih životinja - toliko obilnih da se u Japanu nazivaju "rižom u oceanu". Smatra da su ovi rakovi ključ razumijevanja zašto je toliko morskih organizama bioluminescentno.
Obojica i njegovi kolege uzeli su aminokiseline, za koje se vjeruje da su gradivni dijelovi kolenterazina, označili su ih molekularnim markerima i ubacili ih u hranu za kapuljače. Potom su tu hranu hranili rakovima u laboratoriju.
Nakon 24 sata, znanstvenici su izvadili kolenterazin iz rakova i pogledali dodate markere. Očigledno je da su bili posvuda - što je bio vrhunski dokaz da su rakovi sintetizirali molekule luciferina iz aminokiselina.
Čak i meduze koje su prvi otkrile kolenterazin (i po njemu su dobile ime) ne proizvode sami. Luciferin dobivaju jedenjem rakova i ostalih malih rakova.
Tajanstveno podrijetlo
Znanstvenici su otkrili još jedan trag koji bi mogao pomoći objasniti popularnost kolenterazina među dubokomorskim životinjama: ova se molekula nalazi i u organizmima koji ne emitiraju svjetlost. Ovo je pogodilo Jean-Françoisa Riesa, biologa na Katoličkom sveučilištu Leuven u Belgiji, kao čudno. Iznenađujuće je da se „toliko životinja oslanja na istu molekulu za proizvodnju svjetlosti“, kaže on. Možda kolenterazin ima i druge funkcije osim luminiscencije?
U eksperimentima sa stanicama jetre štakora, Reese je pokazao da je kolenterazin moćan antioksidans. Njegova hipoteza: Koelenterazin se možda prvo proširio među morskim organizmima koji žive u površinskim vodama. Tamo bi antioksidans mogao pružiti potrebnu zaštitu od oksidativnih učinaka štetne sunčeve svjetlosti.
Kad su ovi organizmi počeli kolonizirati dublje vode oceana, gdje je potreba za antioksidansima manja, sposobnost kolenterazina da emitira svjetlost dobro je došla, predložio je Reese. S vremenom su organizmi razvili različite strategije - poput luciferaze i specijaliziranih svjetlosnih organa - kako bi poboljšali tu kvalitetu.
Ipak, znanstvenici nisu shvatili kako drugi organizmi, ne samo oba kopepodi, stvaraju kolenterazin. Geni koji kodiraju kolenterazin također su potpuno nepoznati.
Uzmimo, na primjer, češalj od češlja. Za ova drevna morska stvorenja - za koja neki smatraju da su prva grana životinjskog stabla - odavno se sumnja da proizvode kolenterazin. Ali to nitko nije uspio potvrditi, a kamoli identificirati određene genetske upute na djelu.
Prošle godine, međutim, objavljeno je da se skupina istraživača na čelu s Francisom i Haddockom spotaknula na gen koji bi mogao biti uključen u sintezu luciferina. Da bi to učinili, proučavali su transkript ktenofora, koji su snimci gena koje životinja u određenom trenutku izražava. Tragali su za genima kodiranim za grupu od tri aminokiseline - iste aminokiseline koje su se Oba hranile svojim kaparima.
Među 22 vrste bioluminescentnih ktenofora, znanstvenici su pronašli skupinu gena koji odgovaraju njihovim kriterijima. Ti isti geni nisu bili prisutni ni u dvije druge ne-luminiscentne vrste ktenofora.
Novi svijet
Genetski mehanizam bioluminescence ima primjenu izvan evolucijske biologije. Ako znanstvenici mogu izolirati gene za parove luciferin i luciferrazu, oni bi iz jednog ili drugog razloga potencijalno mogli učiniti da organizmi i stanice svijetle.
1986. znanstvenici sa Sveučilišta u Kaliforniji u San Diegu modificirali su i ugradili gen luciferaze krijesnica u biljke duhana. Studija je objavljena u časopisu Science, u kojem je prikazana jedna od ovih biljaka, koja svijetli sjajno na tamnoj pozadini.
Ova biljka sama po sebi ne proizvodi svjetlost - sadrži luciferazu. No, da bi ovaj duhan blistao, mora ga se zalijevati otopinom koja sadrži luciferin.
Trideset godina kasnije, znanstvenici još uvijek nisu uspjeli stvoriti samosvjetleće organizme pomoću genetskog inženjeringa, jer ne poznaju biosintetske putove većine luciferina. (Jedina iznimka pronađena je u bakterijama. Znanstvenici su uspjeli identificirati gene koji žare koji kodiraju bakterijski sustav luciferin-luciferaza, ali te gene potrebno je izmijeniti da bi bili korisni za bilo koji nebakterijski organizam.)
Jedna od najvećih potencijalnih primjena luciferina i luciferaze u staničnoj biologiji je njihovo uklapanje kao žarulje u stanice i tkiva. Ova bi tehnologija bila korisna za praćenje lokacije stanica, ekspresije gena, proizvodnje proteina, kaže Jennifer Prescher, profesorica kemije na Kalifornijskom sveučilištu u Irvineu.
Upotreba molekula bioluminiscencije bit će jednako korisna kao i upotreba fluorescentnog proteina koji se već koristi za praćenje razvoja HIV infekcije, za vizualizaciju tumora i praćenje oštećenja živaca kod Alzheimerove bolesti.
Trenutno znanstvenici koji koriste luciferin za pokusne obrade slike moraju stvoriti njegovu sintetičku verziju ili je kupiti po 50 dolara po miligramu. Unošenje luciferina izvana u stanicu je također teško - ne bi bio problem ako bi stanica mogla napraviti svoj luciferin.
Istraživanja se nastavljaju i postupno definiraju evolutivne i kemijske procese o tome kako organizmi proizvode svjetlost. Ali većina bioluminescentnog svijeta još uvijek je u mraku.
Ilya Khel