Bioluminiscencia

Existuje celý rad organizmov schopných bioluminiscencie obývajúcich rôzne biotopy – môže to byť svetielkovanie baktérií na hnijúcom substráte, modrá luminiscencia prvokov na brehoch tropických morí alebo svit svetlušiek (Lampyris noctiluca). Bioluminiscencia je pozorovaná u množstva jednoduchých organizmov a živočíchov – baktérií, húb (Omphalotus nidiformis, Omphalotus olearius), hmyzu, morských bezstavovcov a rýb, však doposiaľ neboli nájdené príklady vyšších rastlín, obojživelníkov, plazov, vtákov a cicavcov schopných bioluminiscencie.

Biológovia predpokladajú niekoľko dôvodov, prečo došlo k evolúcii bioluminiscencie:

Rola v ochrane a prežití organizmu

Bioluminiscencia môže mať spojitosť s ochranou a prežitím organizmu. Niektoré podmorské živočíchy, ako napr. určité druhy chobotníc vylučujú svietiaci sekrét, ktorý má za úlohu zmiasť nepriateľa a napomôcť úteku, iné hlbokomorské živočíchy majú svietiacu časť tela, ktoré priťahujú potenciálnu korisť, prípadne má za úlohu odstrašiť predátorov. Usudzuje sa tiež, že bioluminiscencia hrá významnú úlohu v sexuálnej komunikácii a rozpoznaní partnera.

Rola bioluminiscencie v bunkovej ochrane

Predpokladá sa, že bioluminiscencia u nižších organizmov ako sú baktérie, prvoky a huby môže byť evolučným pozostatkom z dôb, keď atmosféra Zeme bola chudobná na kyslík (ktorý bol pre primitívne organizmy jedom). Biolumiscencia môže predstavovať obranný mechanizmus ako zneškodniť stopy kyslíka v organizme, ktorý u týchto organizmov ostal zachovaný i po adaptácii na kyslíkovú atmosféru.

Molekulárne princípy bioluminiscencie

Väčšina organizmov schopných bioluminiscencie využíva enzýmom katalyzovanú reakciu vhodného substrátu s kyslíkom za prítomnosti kofaktorov. Pri oxidácii sa substrát oxiduje na produkty v excitovanom stave, ktoré prebytok energie emitujú vo forme svetla.

Najznámejší príklad je oxidácia luciferínu (typický pre rod svetlušiek) kyslíkom za katalýzy enzýmom luciferázou v prítomnosti horečnatých solí a ATP. Táto sekvencia je vyobrazená v Schéme 3.

V prvej fáze reakcie reaguje luciferín s kyslíkom za spotreby ATP, asistencie Mg2+ a katalýzy enzýmom luciferázou na reaktívny, vysoko nestabilný intermediát Int1. Tento intermediát sa v druhej fáze rozpadá za uvoľnenia oxidu uhličitého a tvorby intermediátu Int2 v excitovanom stave. Intermediát Int2 v excitovanom stave deexcituje vyžiarením fotónu o príslušnej vlnovej dĺžke (fáza 3). V prípade luciferínu sa jedná o žltozelené svetlo o vlnovej dĺžke 550-570 nm.

Podmorské organizmy, ktoré žiaria modrou farbou, využívajú príbuznú chemickú reakciu, ale s inými substrátmi. Odhaduje sa, že modrá farba u morských organizmov prevažuje z evolučných dôvodov vďaka tomu, že modré žiarenie vodou lepšie preniká a je tiež menej absorbované.

Bioluminiscencia založená na reakcii luciferínu s kyslíkom za katalýzy luciferázou je v dnešnej dobe intenzívne využívaná v biológií a biochémii.

S pomocou bioluminiscencie je napríklad možné odmerať nízke koncentrácie ATP (ktorý je nutný pre oxidáciu luciferínu). Ďalšia vyspelá aplikácia využívaná k sledovaniu šírenia génov exprimujúcich luciferázu, pretože prenesenie luciferázového génu sa dá bioluminiscenčným pokusom veľmi ľahko overiť, čo sa využíva v génovom inžinierstve. Bioluminiscenčné zobrazovanie je ďalšia vysoko pokročila technika, ktorá sa využíva v štúdiu procesov prebiehajúcich v živých organizmoch. Napríklad s pomocou špeciálnej bunkovej línie bioluminiscenčných rakovinových buniek je možné sledovať šírenie rakoviny v pokusných zvieratách a efektívnejšie identifikovať mechanizmy, ako takémuto šíreniu zabrániť. Podobné využitia bioluminiscencie sú dnes intenzívne skúmané a predstavujú dynamicky sa rozvíjajúci odbor.