Bioluminiscenčné organizmy sa v priebehu histórie života vyvinuli mnohokrát. Aká biochémia je potrebná na osvetlenie temnoty? Tomuto problému sa venujú rôzne štúdie. Ponorte sa hlboko do hlbín oceánu a neuvidíte temnotu, ale svetlo. 90% rýb a morských živočíchov, ktoré sa darí v hĺbkach 100 až 1000 metrov, sú schopné produkovať svoje vlastné svetlo. Lov bateriek loví a komunikuje pomocou nejakého Morseovho kódu zaslaného ľahkými vreckami pod očami. Ryby z rodiny Platytroctidae strieľajú na svojich útočníkov žiariaci atrament. Ryby z liahní sa stávajú neviditeľnými vyžarovaním svetla do brucha, ktoré simuluje klesajúce slnečné svetlo; dravci sa na ne pozerajú a vidia iba nepretržitú žiaru.
Vedci indexovali tisíce bioluminiscenčných organizmov v celom strome života a očakávajú ďalšie. Avšak už dlho premýšľali o tom, ako vznikla bioluminiscencia. Teraz, ako ukazujú nedávno uverejnené štúdie, vedci dosiahli významný pokrok v porozumení pôvodu bioluminiscencie - evolučne aj chemicky. Nové poznatky môžu jedného dňa umožniť použitie bioluminiscencie v biologickom a lekárskom výskume.
Jednou z dlhodobých výziev je určiť, koľkokrát sa vyskytla jedna bioluminiscencia. Koľko druhov k nej prišlo nezávisle od seba?
Zatiaľ čo niektoré z najznámejších príkladov svetla v živých organizmoch sú pozemské - napríklad svetlušky, väčšina evolučných udalostí súvisiacich s bioluminiscenciou sa odohrala v oceáne. Bioluminiscencia prakticky a zjavne chýba vo všetkých suchozemských stavovcoch a kvitnúcich rastlinách.
V hlbinách oceánu poskytuje svetlo organizmom jedinečný spôsob, ako prilákať korisť, komunikovať a brániť sa, hovorí Matthew Davis, biolog na štátnej univerzite v Saint Cloud v Minnesote. V štúdii uverejnenej v júni on a jeho kolegovia zistili, že ryby, ktoré používajú svetlo na komunikáciu a signalizáciu námluvy, boli obzvlášť bežné. Za obdobie približne 150 miliónov rokov - nie dlhé podľa evolučných štandardov - sa tieto ryby rozšírili do viacerých druhov ako iné ryby. Bioluminiscenčné druhy, ktoré využívali svoje svetlo výlučne na maskovanie, však neboli také rozmanité.
Signály manželstva sa dajú pomerne ľahko zmeniť. Tieto zmeny môžu zase viesť k vytvoreniu podskupín v populácii, ktoré sa nakoniec rozdelia na jedinečné druhy. V júni publikoval Todd Oakley, evolučný biológ na Kalifornskej univerzite v Santa Barbare a jeden z jeho študentov, Emily Ellis, štúdiu, v ktorej sa uvádza, že organizmy využívajúce bioluminiscenciu ako signály párenia mali oveľa viac druhov a vyššiu mieru akumulácie druhov ako ich blízki príbuzní, ktorí nepoužívajú svetlo. Oakley a Ellis študovali desať skupín organizmov vrátane svetlušiek, chobotníc, žralokov a drobných článkonožcov.
Výskum Davisa a jeho kolegov bol obmedzený na ryby rúčky, ktoré tvoria približne 95% druhov rýb. Davis vypočítal, že aj v tejto jednej skupine sa bioluminiscencia vyvinula najmenej 27-krát. Stephen Haddock, morský biológ v Monterey Bay Aquarium Research Institute a odborník na bioluminiscenciu, odhadol, že zo všetkých foriem života sa bioluminiscencia objavila nezávisle najmenej 50-krát.
Propagačné video:
Mnoho spôsobov zapálenia
V takmer všetkých svetelných organizmoch bioluminiscencia vyžaduje tri zložky: kyslík, svetlo emitujúci pigment luciferín (z latinského slova lucifer, čo znamená „prenášajúce svetlo“) a enzým luciferáza. Keď luciferín interaguje s kyslíkom - prostredníctvom luciferázy - tvorí excitovanú nestabilnú zložku, ktorú emituje súprava, a vracia sa do stavu s nižšou energiou.
Je zaujímavé, že existuje oveľa menej luciferínov ako luciferáza. Aj keď druhy majú tendenciu mať jedinečnú luciferázu, veľmi veľa má rovnaký luciferín. Za produkciu väčšiny svetla v oceáne sú zodpovedné iba štyri luciferíny. Z takmer 20 skupín bioluminiscenčných organizmov na svete deväť z nich vyžaruje svetlo z luciferínu nazývaného coelenterazín.
Bolo by však chybou sa domnievať, že všetky organizmy obsahujúce coelenterazín pochádzali od jedného svetelného predka. Ak by tomu tak bolo, prečo by si vyvinuli také široké spektrum luciferázy, pýta sa Warren Francis, biológ na Univerzite Ludwiga Maximiliána v Mníchove. Prvý pár luciferín-luciferázy mal pravdepodobne prežiť a rozmnožiť sa.
Je tiež pravdepodobné, že mnoho z týchto druhov neprodukuje coelenterazín samostatne. Namiesto toho ho získavajú zo stravy, hovorí Yuichi Oba, profesor biológie na Chubu University v Japonsku.
V roku 2009 tím pod vedením spoločnosti Oba zistil, že jeho coelenterazín sa zakladá na hlbokomorskom kôrovci (copepods) - malom, rozšírenom kôrovci. Tieto kôrovce sú mimoriadne bohatým zdrojom potravy pre široké spektrum morských živočíchov - tak hojných, že sa v Japonsku nazývajú „ryža v oceáne“. Myslí si, že tieto kôrovce sú kľúčom k pochopeniu, prečo je toľko morských organizmov bioluminiscenčných.
Spolu s kolegami vzali aminokyseliny, o ktorých sa predpokladá, že sú stavebnými kameňmi coelenterazínu, označili ich molekulárnymi markermi a vložili ich do potravy pre kopinožce. Potom krmili toto jedlo kôrovcom v laboratóriu.
Po 24 hodinách vedci extrahovali coelenterazín z kôrovcov a pozreli sa na pridané značky. Očividne boli všade - to bol konečný dôkaz, že kôrovce syntetizovali molekuly luciferínu z aminokyselín.
Dokonca ani medúzy, ktoré prvýkrát objavili coelenterazín (a boli pomenované po), neprodukujú vlastný coelenterazín. Svoj luciferín získavajú jedením kôrovcov a iných malých kôrovcov.
Tajomný pôvod
Vedci našli ďalšie vodítko, ktoré by mohlo pomôcť vysvetliť popularitu coelenterazínu u hlbokomorských živočíchov: táto molekula sa nachádza aj v organizmoch, ktoré nevyžarujú svetlo. To zasiahlo Jean-François Riesa, biológa na Katolíckej univerzite v Leuvene v Belgicku, ako zvláštny. Je prekvapujúce, že „toľko zvierat sa spolieha na to, že rovnaká molekula produkuje svetlo,“hovorí. Možno má koelenterazín okrem luminiscencie aj iné funkcie?
Pri pokusoch s pečeňovými bunkami potkana Reese ukázal, že coelenterazín je silným antioxidantom. Jeho hypotéza: Coelenterazín sa mohol prvýkrát rozšíriť medzi morské organizmy žijúce v povrchových vodách. Tam by antioxidant mohol poskytovať potrebnú ochranu proti oxidačným účinkom škodlivého slnečného žiarenia.
Keď tieto organizmy začali kolonizovať hlbšie morské vody, kde je potreba antioxidantov nižšia, Ree navrhla schopnosť koelenterazínu vyžarovať svetlo. V priebehu času si organizmy vyvinuli rôzne stratégie - ako je luciferáza a špecializované svetelné orgány - na zvýšenie tejto kvality.
Vedci však neprišli na to, ako iné organizmy, nielen kopytníky Oba, vyrábajú coelenterazín. Gény, ktoré kódujú coelenterazín, sú tiež úplne neznáme.
Vezmite napríklad želé. Tieto starodávne morské tvory - ktoré niektorí považujú za prvú vetvu živočíšneho stromu - boli dlho podozrivé z produkcie coelenterazínu. Nikto to však nemohol potvrdiť, nehovoriac o konkrétnych genetických pokynoch v práci.
Minulý rok sa však zistilo, že skupina vedcov, ktorú viedli Francis a Haddock, narazila na gén, ktorý sa môže podieľať na syntéze luciferínu. Za týmto účelom študovali transkripty ctenofórov, ktoré sú snímkami génov, ktoré zviera v danom okamihu exprimuje. Hľadali gény kódované pre skupinu troch aminokyselín - rovnaké aminokyseliny, ktoré oba kŕmili svojimi copepodmi.
Medzi 22 druhmi bioluminiscenčných ctenofórov vedci našli skupinu génov, ktoré zodpovedajú ich kritériám. Tie isté gény chýbali v dvoch ďalších neluminiscenčných druhoch ctenofóru.
Nový svet
Genetický mechanizmus bioluminiscencie má uplatnenie mimo evolučnej biológie. Ak vedci dokážu izolovať gény pre páry luciferínu a luciferázy, mohli by z jedného alebo druhého dôvodu potenciálne spôsobiť žiarenie organizmov a buniek.
V roku 1986 vedci z Kalifornskej univerzity v San Diegu upravili a začlenili gén luciferázy svetlušiek do rastlín tabaku. Štúdia bola uverejnená v časopise Science a predstavovala jednu z týchto rastlín žiarivo žiariacich na tmavom pozadí.
Táto rastlina sama osebe neprodukuje svetlo - obsahuje luciferázu. Aby však tento tabak žiaril, musí byť napojený roztokom obsahujúcim luciferín.
O tridsať rokov neskôr vedci stále nedokázali vytvoriť samo-svetelné organizmy pomocou genetického inžinierstva, pretože nepoznajú biosyntetické cesty pre väčšinu luciferínov. (Jediná výnimka bola nájdená u baktérií: Vedci dokázali identifikovať gény žiarenia, ktoré kódujú bakteriálny systém luciferín-luciferáza, ale tieto gény je potrebné modifikovať, aby boli užitočné pre akýkoľvek nebakteriálny organizmus.)
Jedným z najväčších potenciálnych použití luciferínu a luciferázy v bunkovej biológii je ich začlenenie ako cibule do buniek a tkanív. Táto technológia by bola užitočná na sledovanie polohy buniek, génovej expresie, produkcie proteínov, hovorí Jennifer Prescher, profesor chémie na Kalifornskej univerzite v Irvine.
Použitie bioluminiscenčných molekúl bude rovnako užitočné ako použitie fluorescenčného proteínu, ktorý sa už používa na monitorovanie vývoja infekcií HIV, na vizualizáciu nádorov a sledovanie poškodenia nervov pri Alzheimerovej chorobe.
V súčasnosti musia vedci používajúci luciferín na zobrazovacie experimenty vytvoriť jeho syntetickú verziu alebo si ju kúpiť za 50 dolárov za miligram. Zavádzanie luciferínu zvonka do bunky je tiež ťažké - nebol by problém, keby si bunka mohla vyrobiť vlastný luciferín.
Výskum pokračuje a postupne definuje vývojové a chemické procesy, ako organizmy produkujú svetlo. Väčšina bioluminiscenčného sveta je však stále v tme.
Ilja Khel