A biolumineszcens organizmusok tucatszor fejlődtek ki az élet története során. Milyen biokémia szükséges a sötétség megvilágításához? Különböző tanulmányokat szentelnek erre a kérdésre. Merüljön elég mélyen az óceán mélyébe, és nem sötétséget, hanem fényt fog látni. A 100 vagy akár 1000 méteres mélységben virágzó halak és tengerek 90% -a képes saját fény előállítására. Zseblámpa segítségével halak vadásznak és kommunikálhatnak egyfajta Morse-kóddal, amelyet a szem alatti fényzsebek küldnek. A Platytroctidae család halai izzó tintát lőnek támadóikba. A halakba kerülő halak láthatatlanná teszik magukat azzal, hogy fényt bocsátanak ki a hasukba, hogy szimulálják a csökkenő napfényt; a ragadozók rájuk néznek, és csak folyamatos fényt látnak.
A tudósok több ezer biolumineszcens organizmust indexáltak az egész életfán, és számítanak további hozzáadásra. Régóta azon gondolkoztak, hogy miként alakult ki a biolumineszcencia. Most, ahogyan a közelmúltban közzétett tanulmányok mutatják, a tudósok jelentős előrelépést értek el a biolumineszcencia eredete megértésében - mind evolúciós, mind kémiai szempontból. Az új ismeretek egy nap lehetővé tehetik a biolumineszcencia felhasználását biológiai és orvosi kutatásokban.
Az egyik régóta fennálló kihívás annak meghatározása, hogy hányszor fordult elő egy biolumineszcencia. Hány faj érkezett hozzá egymástól függetlenül?
Míg az élő szervezetekben a fény legismertebb példái földi eredetűek - gondolj például a szentjánosbogarakra -, a biolumineszcenciával kapcsolatos evolúciós események nagy része az óceánban zajlott le. A biolumineszcencia gyakorlatilag és nyilvánvalóan hiányzik minden szárazföldi gerinces és virágos növényben.
Az óceán mélyén a fény egyedülálló módon ad az organizmusoknak ragadozókat, kommunikálnak és megvédik magukat - mondta Matthew Davis, a minnesotai Saint Cloud State University biológusa. Egy júniusban közzétett tanulmányban kollégáival megállapította, hogy a halak, amelyek fényt használnak a kommunikációhoz és az udvarlás jelzéséhez, különösen gyakoriak. Körülbelül 150 millió év alatt - az evolúciós normák szerint nem sokáig - az ilyen halak sokkal több fajba terjedtek el, mint más halak. A biolumineszcens fajok, amelyek fényét kizárólag álcázáshoz használták, nem voltak olyan változatosak.
A házassági jelek viszonylag könnyen megváltoztathatók. Ezek a változások alcsoportokat hozhatnak létre a populációban, amelyek végül egyedi fajokra osztódnak. Júniusban Todd Oakley, a kaliforniai Santa Barbara Egyetem evolúciós biológusa és egyik hallgatója, Emily Ellis tanulmányt publikáltak, amely kimutatta, hogy a biolumineszcenciát párosító jelként használó szervezetekben sokkal több faj van és a fajok gyorsabban halmozódnak fel, mint a fajok. közeli rokonuk, akik nem használnak fényt. Oakley és Ellis tíz organizmuscsoportot vizsgáltak, köztük a szentjánosbogarak, polipok, cápák és apró ízeltlábúak, ostracodok.
Davis és munkatársai kutatása csak a szárnyas halakra korlátozódott, amelyek a halfajok körülbelül 95% -át képviselik. Davis kiszámította, hogy még ebben az egy csoportban a biolumineszcencia legalább 27-szer fejlődött ki. Stephen Haddock, a Monterey Bay Akvárium Kutatóintézet tengerbiológusa és a biolumineszcencia szakértője becslése szerint a biolumineszcencia minden életforma között önállóan legalább 50-szer jelent meg.
Promóciós videó:
Sokféle módon lehet meggyulladni
A biolumineszcencia szinte minden világító szervezetben három összetevőre van szüksége: oxigénre, a fénykibocsátó pigment luciferinre (a latin szóból a lucifer jelentése „fényt hordozó”) és a luciferáz enzimre. Amikor a luciferin kölcsönhatásba lép az oxigénnel - a luciferázon keresztül - izgatott, instabil komponenst képez, amelyet a készlet kibocsát, és visszatér az alacsonyabb energiájú állapotba.
Érdekes módon sokkal kevesebb luciferin van, mint a luciferáz. Bár a fajok általában egyedi luciferázzal rendelkeznek, nagyon sokuknak ugyanaz a luciferinje van. Csak négy luciferin felelős a fény legnagyobb részének óceánban történő előállításáért. A világon a biolumineszcens organizmusok közel 20 csoportjából kilenc fényt bocsát ki a koelenterazin nevű luciferinből.
Hiba lenne azonban azt hinni, hogy az összes kolenterazin-tartalmú organizmus egy fénylő őstől származik. Ha ez a helyzet, miért fejlesztenek ki ilyen széles luciferáz-spektrumot, kérdezi Warren Francis, a müncheni Ludwig Maximilian Egyetem biológusa. Feltehetően az első luciferin-luciferáz párnak fenn kellett maradnia és szaporodnia kellett.
Az is valószínű, hogy ezek közül a fajok közül sok önmagában nem termel koelenterazint. Ehelyett az étrendjükből származnak, mondja Yuichi Oba, a japán Chubu Egyetem biológiai professzora.
2009-ben egy Oba vezette csapat felfedezte, hogy egy mélytengeri rákfélék (koppodák) - egy apró, elterjedt rákfélék - készítik koenteraterazint. Ezek a rákfélék rendkívül bőséges táplálékforrást jelentenek a tengeri állatok széles köre számára - annyira bőséges, hogy Japánban az óceán rizsének nevezik. Szerinte ezek a rákfélék képezik a kulcsot annak megértéséhez, hogy miért olyan sok tengeri organizmus biolumineszcens.
Mindketten és kollégái vették az aminosavakat, amelyekről feltételezik, hogy a koenteraterazin építőelemei, jelölik őket molekuláris markerrel, és betöltik őket a csípőállatok táplálékához. Aztán a laboratóriumi rákféléknek táplálták ezt az ételt.
24 óra elteltével a tudósok extrahálták a kolenterazint a rákfélékből és megvizsgálták a hozzáadott markereket. Nyilvánvalóan ott voltak mindenhol - ami volt a végső bizonyíték arra, hogy a rákfélék luciferin molekulákat szintetizáltak aminosavakból.
Még azok a medúzák is, amelyek először fedezték fel a koenteraterazint (és a nevüket el is adták), nem termelnek saját maga koelenterazint. Luciferint kapnak rákfélék és más apró rákfélék evésével.
Titokzatos eredet
A tudósok találtak egy másik nyomot, amely megmagyarázhatja a koelenterazin népszerűségét a mélytengeri állatok körében: ezt a molekulát olyan szervezetekben is megtalálják, amelyek nem bocsátanak ki fényt. Ez furcsának találta meg a belga Leuveni Katolikus Egyetem biológusát, Jean-François Ries-t. Meglepő, hogy „oly sok állat támaszkodik ugyanazon molekulára a fény előállításához” - mondja. Talán a kolenterazinnak a lumineszcencia mellett más funkciói is vannak?
Patkánymájsejtekkel végzett kísérletekben Reese kimutatta, hogy a kolenterazin erős antioxidáns. Hipotézise: A koelenterazin először elterjedhet a felszíni vizekben élő tengeri szervezetek között. Az antioxidáns ott biztosíthatja a szükséges védelmet a káros napfény oxidáló hatásaival szemben.
Amikor ezek az organizmusok elkezdték kolonizálni a mélyebb óceánvizeket, ahol alacsonyabb az antioxidánsok iránti igény, a koelenterazin fénykibocsátó képessége hasznosnak bizonyult - javasolta Reese. Az idő múlásával az organizmusok különböző stratégiákat dolgoztak ki - mint például a luciferáz és a speciális könnyű szervek - e minőség javítása érdekében.
A tudósok azonban nem tudták kitalálni, hogy más szervezetek, nem csak az Oba poggyászfélék, hogyan készítik a koenteraterazint. A koenteraterazint kódoló gének szintén teljesen ismeretlenek.
Vegyük például a fésűmagot. Ezeknek az ősi tengeri lényeknek - akiket egyeseknek az állati fa első ágának tekintenek - már régóta gyanúja merült fel koelenterazin előállításáról. De ezt senki sem tudta megerősíteni, nem is beszélve a munkahelyi specifikus genetikai utasítások azonosításáról.
Tavaly azonban arról számoltak be, hogy Francis és Haddock vezetésével foglalkozó kutatók egy génjével találkoztak, amely részt vehet a luciferin szintézisében. Ehhez megvizsgálták a ctenofórok átírását, amelyek azoknak a géneknek a pillanatképei, amelyeket az állat egy adott pillanatban kifejez. Három aminosavból álló csoportba kódolt géneket kerestek - ugyanazokat az aminosavakat, melyeket Oba táplált a számítógépéhez.
A biolumineszcens ctenoforok 22 faja közül a tudósok olyan géncsoportot találtak, amely megfelel a kritériumoknak. Ugyanezek a gének hiányoztak két másik nem lumineszcens ctenofór fajban is.
Új világ
A biolumineszcencia genetikai mechanizmusa az evolúciós biológián kívül is alkalmazható. Ha a tudósok elkülöníthetik a luciferin és luciferáz párok géneit, akkor ezek az organizmusok és a sejtek izgalmát okozhatják, valamilyen okból.
1986-ban a kaliforniai San Diegó-i Egyetem tudósai módosították és beépítették a firefly luciferáz gént a dohánynövényekbe. A tanulmányt a Science folyóiratban tették közzé, amely ezen növények egyikét sötét háttér előtt félénken ragyogóan ragyogta.
Ez a növény önmagában nem termel fényt - luciferázt tartalmaz. Ahhoz azonban, hogy ez a dohány világítson, meg kell itatni luciferint tartalmazó oldattal.
Harminc évvel később a tudósok még mindig nem voltak képesek önfényes organizmusok létrehozására géntechnológiával, mert nem ismerik a legtöbb luciferin bioszintézis útját. (Az egyetlen kivételt a baktériumokban találták meg: A tudósok képesek voltak azonosítani azokat a fénygéneket, amelyek a bakteriális luciferin-luciferáz rendszert kódolják, de ezeket a géneket módosítani kell, hogy azok hasznosak legyenek minden nem baktériumú szervezetben.)
A luciferin és a luciferáz egyik legnagyobb felhasználási lehetősége a sejtbiológiában az, ha izzóként beépítik őket a sejtekbe és szövetekbe. Ez a fajta technológia hasznos lenne a sejtek helyének, gén expressziójának és fehérjetermelésének nyomon követésében - mondja Jennifer Prescher, az irvinei Kaliforniai Egyetem kémia professzora.
A biolumineszcens molekulák használata ugyanolyan hasznos lesz, mint egy fluoreszcens fehérje használata, amelyet már használnak a HIV-fertőzések kialakulásának nyomon követésére, a daganatok megjelenítésére és az idegkárosodás nyomon követésére Alzheimer-kórban.
Jelenleg a luciferint képalkotó kísérletekhez használó tudósoknak el kell készíteniük egy szintetikus verziót, vagy meg kell vásárolni milligrammonként 50 dollárért. A luciferin kívülről a sejtbe történő bevezetése szintén nehéz - nem lenne probléma, ha a sejt saját luciferint készíthetne.
A kutatás folytatódik, és fokozatosan meghatározza az evolúciós és kémiai folyamatokat az organizmusok fénytermelésének módjáról. De a biolumineszcens világ legnagyobb része még mindig sötétben van.
Ilya Khel