Της Μαρίας Δήμα,
H βιοφωταύγεια ορίζεται ως η ικανότητα πολλών οργανισμών να παράγουν φως, με τη βοήθεια διαφόρων συστημάτων χημειοφωτισμού. Μόνο 5 φυλογενετικές κατηγορίες από τα επίγεια φύλα διαθέτουν αυτό το χαρακτηριστικό, και μόνο σε ένα από αυτά (αρθρόποδα) έχει μελετηθεί εκτενώς. Αντιθέτως, στον τομέα της θαλάσσιας βιολογίας, παρατηρείται σε 14 φυλογενετικές ομάδες, αρκετές εκ των οποίων περιλαμβάνουν πολυάριθμα φωτεινά είδη. Όλοι οι θαλάσσιοι βιότοποι, φιλοξενούν βιοφθοριστικά είδη, ωστόσο, το φαινόμενο είναι πιο κοινό στα ανώτερα 1000 μέτρα του πελαγικού περιβάλλοντος.
Η χημική αντίδραση για την παραγωγή του φωτός, περιλαμβάνει τη λουσιφερίνη και τη λουσιφεράση ή μiα φωτοπρωτεΐνη. Η λουσιφερίνη είναι το συστατικό που παράγει το φως, ενώ η λουσιφεράση είναι το ένζυμο που επιταχύνει την αντίδραση. Τελικό προϊόν της αντίδρασης αποτελεί η οξυλουσιφερίνη. Άλλοι μικροοργανισμοί, χρησιμοποιούν φωτοπρωτεΐνες, οι οποίες αντιδρούν με τη λουσιφερίνη και το οξυγόνο με την προσθήκη ασβεστίου για να δημιουργήσουν φως.
Ορισμένοι οργανισμοί παράγουν τη λουσιφερίνη μόνοι τους, όπως τα πρωτόζωα δινομαστιγωτά, που φωτίζουν με μπλε-πράσινο χρώμα, ενώ άλλοι οργανισμοί, όπως ορισμένα ψάρια και καλαμάρια, την απορροφούν μέσω της διατροφής ή μέσω συμβιωτικών σχέσεων με βιοφωτιστικά βακτήρια. Για παράδειγμα, τα βατόψαρα του γένoυς Poricthys, αποκτούν τη λουσιφερίνη μέσω μιας κατηγορίας καρκινοειδών (“seed shrimps”) που καταναλώνουν. Πολλά θαλάσσια ζώα, όπως τα καλαμάρια, φιλοξενούν βιοφωτιστικά βακτήρια στα όργανα τους. Σημαντικό είναι να αναφερθεί, πως η βιοφωταύγεια διαφέρει από τον βιοφθορισμό, καθώς ο τελευταίος δεν περιλαμβάνει χημική αντίδραση αλλά επανεκπομπή του φωτός σε διαφορετικό μήκος κύματος.
Υπάρχουν 3 είδη μονοκύτταρων μικροοργανισμών τα οποία έχουν την ικανότητα να παράγουν φως: Τα βακτήρια, τα δινομαστιγωτά και τα ακτινόζωα, όλα με διαφορετικά είδη λουσιφερίνης. Αυτό υποδηλώνει πως εξελικτικά ίσως οι διάφοροι τύποι αντιδράσεων βιοφωταύγειας να εξελίχθηκαν ξεχωριστά. Οι συγκεκριμένοι οργανισμοί παράγουν φως όταν αποτελούν μέρος μιας αποικίας, καθώς η γενετική έκφραση της λουσιφεράσης ενεργοποιείται μόνο όταν η συγκέντρωση των οργανισμών φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο (quorum sensing).
Ενδιαφέρον αποτελεί το γεγονός ότι για τη διάγνωση της λανθάνουσας φυματίωσης, πραγματοποιείται η αντίδραση λουσιφεράσης, κατά την οποία όταν υπάρχει το μυκοβακτηρίδιο της φυματίωσης, παράγεται ATP, και, επομένως, πραγματοποιείται η αντίδραση με παραγωγή φωτός. Η χρήση της βιοφωταύγειας στη βιοϊατρική τεχνολογία, περιλαμβάνει την ανάπτυξη βιοαισθητήρων, με ουσίες όπως η λουσιφερίνη και χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση συγκεκριμένων ενζύμων ή ουσιών στο ανθρώπινο σώμα. Η πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (GFP), που απομονώθηκε αρχικά από μέδουσες, επιτρέπει την in vivo παρακολούθηση κυττάρων και την ανάλυση του ρυθμού αύξησης των καρκινικών κυττάρων.[2]
Η συνηθέστερη αιτία βιοφωταύγειας, είναι τα δινομαστιγωτά, τα οποία μπορούν να συσσωρευτούν σε μεγάλους αριθμούς, σχηματίζοντας τις λεγόμενες “κόκκινες παλίρροιες”, ενώ μπορούν ακόμη και μεμονωμένα να εκπέμψουν φως όταν υπόκεινται δυνάμεις που οφείλονται στην αναταραχή της θαλάσσιας επιφάνειας από σκάφη, θαλάσσια ζώα, ή κολυμβητές. Τα περισσότερα, μάλιστα, δεν φωτίζουν τη μέρα, κάτι το οποίο ρυθμίζεται από τους κιρκάδιους ρυθμούς τους.
Ορισμένοι πλαγκτονικοί οργανισμοί, που έχουν τη δυνατότητα να παρουσιάζουν βιοφωταύγεια, είναι τα κωπήποδα, τα οστρακώδη καρκινοειδή, τα κνιδόζωα (μέδουσες και σιφωνοφόρα) και τα κτενοφόρα. Τα κωπήποδα (γνωστά και ως “έντομα της θάλασσας”), διαθέτουν αδένες στα άκρα ή το σώμα τους που εκκρίνουν σταγόνες φωταυγούς ουσίας στο νερό, αποσπώντας, έτσι, την προσοχή των θηρευτών. Τα οστρακώδη, αν και λιγότερο άφθονα, παράγουν, επίσης, φωταυγείς σταγόνες μέσω ομάδων αδενικών κυττάρων ως μηχανισμό άμυνας. Επιπλέον, τα αρσενικά είδη των ειδών Vargula, χρησιμοποιούν αυτήν την ικανότητα κατά το ζευγάρωμα, καθώς μετακινούνται στα πιο επιφανειακά στρώματα της θάλασσας και κωδικοποιούν μηνύματα φωτός, κατά την πορεία της κίνησής τους, με συγκεκριμένη ένταση και συχνότητα. Περιστασιακά, κωπήποδα και οστρακώδη εμφανίζονται σε τόσο μεγάλους αριθμούς που οι εκκρίσεις τους φωτίζουν κορυφές κυμάτων ή και ολόκληρη την επιφάνεια της θάλασσας.
Επίσης, πολλά κνιδόζωα και κτενοφόρα παράγουν μπλε φως, όπως τα κωπήποδα και τα οστρακώδη, αν και ορισμένα εκπέμπουν έντονο πράσινο φως μέσω μιας πράσινη φθορίζουσας πρωτεΐνης στα κύτταρά τους (GFP). Μερικά είδη μεδουσών, σιφωνοφόρων και κτενοφόρων δεν εκπέμπουν μόνο λάμψεις, αλλά εκκρίνουν ουσίες, με ενσωματωμένα σπινθηροβόλα σωματίδια, τα οποία αναβοσβήνουν ανεξάρτητα στο νερό. Αυτοί οι μηχανισμοί, έχουν χρησιμοποιηθεί στην ιατρική για τη στοχευμένη απελευθέρωση φαρμάκων. Άλλα κνιδόζωα έχουν φωτοκύτταρα σε ολόκληρη την επιφάνεια του σώματος, τα οποία όταν διεγερθούν, εκπέμπουν σήματα φωτός κατά μήκος του σώματός τους. Αυτές οι προσαρμογές, πιθανόν έχουν αναπτυχθεί εξελικτικά, ως αμυντικοί μηχανισμοί, καθώς κανένα από αυτά τα είδη δεν διαθέτει την ικανότητα όρασης.
Ορισμένα καλαμάρια, όπως το Bobtail fish, έχουν αναπτύξει συμβιωτικές σχέσεις με τα βακτήρια Vibrio fischeri που το βοηθούν να καμουφλάρεται τη νύχτα, ενώ το anglerfish διαθέτει φωτεινό “δόλωμα” στο κεφάλι του, ώστε να προσελκύει θηράματα. Μόνο τα θηλυκά, μεγαλύτερα σε μέγεθος, έχουν αυτό το χαρακτηριστικό, ενώ τα μικρότερα αρσενικά ζουν παρασιτικά πάνω τους. Η σαρανταποδαρούσα Motyxia, γνωστή ως Sierra luminous millipede, είναι ένα βιοφωταυγές ασπόνδυλο που χρησιμοποιεί το φως της για να προειδοποιεί τους θηρευτές ότι είναι ιδιαίτερα τοξική, καθώς εκκρίνει κυάνιο.
Η βιοφωταύγεια και ο βιοφθορισμός έχουν βρει πληθώρα εφαρμογών στη βιοϊατρική, επηρεάζοντας τη διάγνωση, τη θεραπεία και την έρευνα. Οι φθορίζουσες πρωτεΐνες, όπως η GFP, χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση καρκινικών κυττάρων και τη μελέτη της γονιδιακής έκφρασης. Η φωτοδυναμική θεραπεία αξιοποιεί φωτοευαισθητοποιητές για την καταστροφή καρκινικών κυττάρων, ενώ η παρακολούθηση φλεγμονών και η διάγνωση μολυσματικών νόσων γίνονται εφικτές μέσω βιοφωταυγών αντιδράσεων. Στη νευροεπιστήμη, φθορίζουσες πρωτεΐνες επιτρέπουν την παρακολούθηση νευρικών κυκλωμάτων, ενώ στη φαρμακολογία, συμβάλλουν στη μελέτη της απορρόφησης και της κατανομής φαρμάκων. Επίσης, χρησιμοποιούνται για την ανάλυση μικροβιακών κοινοτήτων, τον έλεγχο εμφυτευμάτων και τη μελέτη μεταβολικών διεργασιών, ανοίγοντας νέους δρόμους για εξατομικευμένες θεραπείες στον τομέας της ιατρικής ακριβείας.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Bioluminescence, National Geographic, διαθέσιμο εδώ
- 8 Βrilliant Bioluminescent Animals, TreeHugger, διαθέσιμο εδώ
- Bioluminescence, Science Direct, διαθέσιμο εδώ
- A Light To Our Darkness: Bioluminescence and Its Uses In Medical Research, Eastern Journal of Medicine, διαθέσιμο εδώ
-
How is Bioluminescence Used in Cancer Research?, New Medical Life Sciences, διαθέσιμο εδώ
