Los organismos bioluminiscentes han evolucionado decenas de veces a lo largo de la historia de la vida. ¿Qué bioquímica se necesita para iluminar la oscuridad? Se dedican varios estudios a este tema. Sumérgete lo suficiente en las profundidades del océano y no verás oscuridad, sino luz. El 90% de los peces y la vida marina que prosperan a profundidades de 100 o incluso 1000 metros son capaces de producir su propia luz. Linterna para cazar peces y comunicarse usando una especie de código Morse enviado por focos de luz debajo de los ojos. Los peces de la familia Platytroctidae disparan tinta brillante a sus atacantes. Los peces hacha se vuelven invisibles al emitir luz en su abdomen para simular la luz solar descendente; los depredadores los miran y ven solo un brillo continuo.
Los científicos han indexado miles de organismos bioluminiscentes en todo el árbol de la vida y esperan agregar más. Sin embargo, durante mucho tiempo se han preguntado cómo surgió la bioluminiscencia. Ahora, como muestran los estudios publicados recientemente, los científicos han logrado un progreso significativo en la comprensión de los orígenes de la bioluminiscencia, tanto evolutivamente como químicamente. Los nuevos conocimientos pueden algún día permitir que la bioluminiscencia se utilice en la investigación biológica y médica.
Uno de los desafíos de larga data es determinar cuántas veces se ha producido una bioluminiscencia. ¿Cuántas especies le llegaron independientemente unas de otras?
Si bien algunos de los ejemplos más famosos de luz en los organismos vivos son terrestres, piense en las luciérnagas, por ejemplo, la mayoría de los eventos evolutivos asociados con la bioluminiscencia tuvieron lugar en el océano. La bioluminiscencia está prácticamente y aparentemente ausente en todos los vertebrados terrestres y plantas con flores.
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En las profundidades del océano, la luz les brinda a los organismos una forma única de atraer presas, comunicarse y defenderse, dice Matthew Davis, biólogo de la Universidad Estatal de Saint Cloud en Minnesota. En un estudio publicado en junio, él y sus colegas encontraron que los peces que usan la luz para comunicarse y señalar el cortejo eran especialmente comunes. Durante un período de aproximadamente 150 millones de años, no mucho según los estándares evolutivos, estos peces se han extendido ampliamente a más especies que otros peces. Las especies bioluminiscentes, que usaban su luz exclusivamente para camuflarse, por otro lado, no eran tan diversas.
Las señales de matrimonio se pueden cambiar con relativa facilidad. Estos cambios, a su vez, pueden crear subgrupos en la población, que eventualmente se dividen en especies únicas. En junio, Todd Oakley, biólogo evolutivo de la Universidad de California, Santa Bárbara, y una de sus estudiantes, Emily Ellis, publicaron un estudio que mostraba que los organismos que usaban la bioluminiscencia como señales de apareamiento tenían muchas más especies y una tasa de acumulación de especies más rápida que sus parientes cercanos que no usan luz. Oakley y Ellis estudiaron diez grupos de organismos, incluidas luciérnagas, pulpos, tiburones y pequeños artrópodos, ostrácodos.
La investigación de Davis y sus colegas se limitó a los peces con aletas radiadas, que comprenden aproximadamente el 95% de las especies de peces. Davis calculó que incluso en este grupo, la bioluminiscencia se desarrolló al menos 27 veces. Stephen Haddock, biólogo marino del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey y experto en bioluminiscencia, estimó que entre todas las formas de vida, la bioluminiscencia apareció independientemente al menos 50 veces.
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Muchas formas de encender
En casi todos los organismos luminosos, la bioluminiscencia requiere tres ingredientes: oxígeno, el pigmento emisor de luz luciferina (de la palabra latina lucifer, que significa “portador de luz”) y la enzima luciferasa. Cuando la luciferina interactúa con el oxígeno, a través de la luciferasa, forma un componente excitado e inestable que emite el conjunto, volviendo a un estado de menor energía.
Curiosamente, hay muchas menos luciferinas que luciferasa. Aunque las especies tienden a tener una luciferasa única, muchas tienen la misma luciferina. Solo cuatro luciferinas son responsables de producir la mayor parte de la luz en el océano. De los casi 20 grupos de organismos bioluminiscentes en el mundo, nueve de ellos emiten luz de luciferina llamada coelenterazina.
Sin embargo, sería un error creer que todos los organismos que contienen coelenterazina descienden de un ancestro luminoso. Si ese fuera el caso, ¿por qué desarrollarían un espectro tan amplio de luciferasa ?, pregunta Warren Francis, biólogo de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich. Presumiblemente, el primer par de luciferina-luciferasa debería haber sobrevivido y multiplicado.
También es probable que muchas de estas especies no produzcan coelenterazina por sí solas. En cambio, lo obtienen de su dieta, dice Yuichi Oba, profesor de biología en la Universidad de Chubu en Japón.
En 2009, un equipo dirigido por Oba descubrió que un crustáceo de aguas profundas (copépodos), un crustáceo diminuto y extendido, estaba produciendo su coelenterazina. Estos crustáceos son una fuente de alimento extremadamente abundante para una amplia gama de animales marinos, tan abundantes que en Japón se les llama "arroz en el océano". Él piensa que estos crustáceos son la clave para comprender por qué tantos organismos marinos son bioluminiscentes.
Ambos y sus colegas tomaron aminoácidos, que se cree que son los componentes básicos de la coelenterazina, los etiquetaron con un marcador molecular y los cargaron en la comida para los copépodos. Luego alimentaron con este alimento a los crustáceos en el laboratorio.
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Después de 24 horas, los científicos extrajeron la coelenterazina de los crustáceos y observaron los marcadores que se agregaron. Obviamente, estaban en todas partes, lo que era la prueba definitiva de que los crustáceos sintetizaban moléculas de luciferina a partir de aminoácidos.
Incluso las medusas que descubrieron por primera vez la coelenterazina (y recibieron su nombre) no producen coelenterazina propia. Obtienen su luciferina comiendo crustáceos y otros crustáceos pequeños.
Orígenes misteriosos
Los científicos han encontrado otra pista que podría ayudar a explicar la popularidad de la coelenterazina entre los animales de aguas profundas: esta molécula también se encuentra en organismos que no emiten luz. Esto le pareció extraño a Jean-François Ries, biólogo de la Universidad Católica de Lovaina en Bélgica. Es sorprendente que “tantos animales dependan de la misma molécula para producir luz”, dice. ¿Quizás la coelenterazina tiene otras funciones además de la luminiscencia?
En experimentos con células de hígado de rata, Reese demostró que la coelenterazina es un potente antioxidante. Su hipótesis: La coelenterazina puede haberse propagado primero entre los organismos marinos que viven en las aguas superficiales. Allí, el antioxidante podría proporcionar la protección necesaria contra los efectos oxidativos de la dañina luz solar.
Cuando estos organismos comenzaron a colonizar aguas oceánicas más profundas, donde la necesidad de antioxidantes es menor, la capacidad de la coelenterazina para emitir luz fue útil, sugirió Reese. Con el tiempo, los organismos han desarrollado diferentes estrategias, como luciferasa y órganos de luz especializados, para mejorar esta calidad.
Sin embargo, los científicos no han descubierto cómo otros organismos, no solo los copépodos Oba, producen coelenterazina. Los genes que codifican la coelenterazina también son completamente desconocidos.
Tome jalea de peine, por ejemplo. Desde hace mucho tiempo se sospecha que estas antiguas criaturas marinas, consideradas por algunos como la primera rama del árbol animal, producen coelenterazina. Pero nadie ha podido confirmar esto, y mucho menos identificar instrucciones genéticas específicas en funcionamiento.
El año pasado, sin embargo, se informó que un grupo de investigadores dirigido por Francis y Haddock tropezó con un gen que podría estar involucrado en la síntesis de luciferina. Para ello, estudiaron las transcriptomas de los ctenóforos, que son instantáneas de los genes que un animal expresa en un momento dado. Buscaron genes codificados para un grupo de tres aminoácidos, los mismos aminoácidos que Oba alimentó a sus copépodos.
Entre 22 especies de ctenóforos bioluminiscentes, los científicos han encontrado un grupo de genes que coinciden con sus criterios. Estos mismos genes estaban ausentes en otras dos especies de ctenóforos no luminiscentes.
Nuevo mundo
El mecanismo genético de la bioluminiscencia tiene aplicaciones fuera de la biología evolutiva. Si los científicos pueden aislar los genes de los pares de luciferina y luciferasa, podrían potencialmente hacer brillar organismos y células, por una razón u otra.
En 1986, científicos de la Universidad de California en San Diego modificaron e incorporaron el gen de luciferasa de luciérnaga en las plantas de tabaco. El estudio fue publicado en la revista Science y presenta una de estas plantas que brilla de manera inquietante sobre un fondo oscuro.
Esta planta no produce luz por sí misma, contiene luciferasa. Pero para que este tabaco brille, debe regarse con una solución que contenga luciferina.
Treinta años después, los científicos aún no han podido crear organismos autoluminosos utilizando ingeniería genética, porque no conocen las vías biosintéticas de la mayoría de las luciferinas. (La única excepción se encontró en las bacterias: los científicos pudieron identificar los genes luminosos que codifican el sistema bacteriano luciferina-luciferasa, pero estos genes deben modificarse para que sean útiles para cualquier organismo no bacteriano).
Uno de los usos potenciales más importantes de la luciferina y la luciferasa en la biología celular es incorporarlas como bulbos en células y tejidos. Este tipo de tecnología sería útil para rastrear la ubicación de las células, la expresión genética y la producción de proteínas, dice Jennifer Prescher, profesora de química en la Universidad de California en Irvine.
El uso de moléculas de bioluminiscencia será tan útil como el uso de una proteína fluorescente, que ya se usa para monitorear el desarrollo de infecciones por VIH, para visualizar tumores y rastrear el daño a las células nerviosas en la enfermedad de Alzheimer.
Actualmente, los científicos que utilizan luciferina para experimentos de imágenes deben crear una versión sintética de la misma o comprarla a 50 dólares el miligramo. La introducción de luciferina desde el exterior en la célula también es difícil; no sería un problema si la célula pudiera producir su propia luciferina.
La investigación continúa y está definiendo gradualmente los procesos evolutivos y químicos sobre cómo los organismos producen luz. Pero la mayor parte del mundo bioluminiscente todavía está a oscuras.
Ilya Khel
