Bioluminiscenční organismy se během historie života vyvinuly několikrát. Jaká biochemie je potřebná pro rozjasnění tmy? Tomuto problému se věnují různé studie. Ponořte se dost hluboko do hlubin oceánu a neuvidíte temnotu, ale světlo. 90% ryb a mořského života, které se daří v hloubkách 100 nebo dokonce 1000 metrů, jsou schopny produkovat své vlastní světlo. Svítilna loví ryby a komunikuje pomocí jakéhokoli morseovského kódu zasílaného lehkými kapsami pod očima. Ryby z rodiny Platytroctidae střílejí na své útočníky zářící inkoust. Ryby ze seker se stávají neviditelnými tím, že vyzařují světlo v jejich břiše, aby simulovaly klesající sluneční světlo; dravci se na ně dívají a vidí jen nepřetržitý záři.
Vědci indexovali tisíce bioluminiscenčních organismů v celém stromě života a očekávají, že přidají další. Dlouho však přemýšleli o tom, jak vznikla bioluminiscence. Nyní, jak ukazují nedávno zveřejněné studie, vědci dosáhli významného pokroku v porozumění původu bioluminiscence - evolučně i chemicky. Nové poznatky mohou jednoho dne umožnit využití bioluminiscence v biologickém a lékařském výzkumu.
Jednou z dlouhodobých výzev je zjistit, kolikrát došlo k jediné bioluminiscenci. Kolik druhů k ní přišlo nezávisle na sobě?
Zatímco některé z nejznámějších příkladů světla v živých organismech jsou pozemské - například světlušky, většina evolučních událostí spojených s bioluminiscencí se odehrála v oceánu. Bioluminiscence prakticky a zjevně chybí ve všech suchozemských obratlovcích a kvetoucích rostlinách.
V hlubinách oceánu poskytuje světlo organismům jedinečný způsob, jak přilákat kořist, komunikovat a bránit se, říká Matthew Davis, biolog na státní univerzitě v Saint Cloud v Minnesotě. Ve studii zveřejněné v červnu on a jeho kolegové zjistili, že ryby, které používají světlo ke komunikaci a signalizaci námluv, byly obzvláště běžné. Za období asi 150 milionů let - ne podle evolučních standardů - se takové ryby rozšířily do více druhů než jiné ryby. Bioluminiscenční druhy, které využívaly své světlo výhradně pro maskování, však nebyly tak rozmanité.
Signály manželství lze relativně snadno změnit. Tyto změny zase mohou v podskupině vytvořit podskupiny, které se nakonec rozdělí na jedinečné druhy. V červnu publikoval Todd Oakley, evoluční biolog na Kalifornské univerzitě, Santa Barbara a jeden z jeho studentů, Emily Ellis, studii, která ukazuje, že organismy využívající bioluminiscenci jako signály páření měly mnohem více druhů a rychlejší akumulaci druhů nežli jejich blízcí příbuzní, kteří nepoužívají světlo. Oakley a Ellis studovali deset skupin organismů, včetně světlušek, chobotnic, žraloků a drobných členovců, ostracody.
Výzkum Davise a jeho kolegů byl omezen na ryby s paprskem, které tvoří přibližně 95% druhů ryb. Davis spočítal, že i v této jedné skupině se bioluminiscence vyvinula nejméně 27krát. Stephen Haddock, mořský biolog z Monterey Bay Aquarium Research Institute a odborník na bioluminiscenci, odhadl, že ze všech forem života se bioluminiscence samostatně objevila nejméně 50krát.
Propagační video:
Mnoho způsobů zapálení
V téměř všech světelných organismech vyžaduje bioluminiscence tři složky: kyslík, pigment emitující světlo luciferin (z latinského slova lucifer, což znamená „nesoucí světlo“) a enzym luciferázy. Když luciferin interaguje s kyslíkem - prostřednictvím luciferázy - tvoří vzrušenou nestabilní složku, kterou sada emituje, a vrací se do stavu s nižší energií.
Je zajímavé, že existuje mnohem méně luciferinů než luciferáza. Ačkoli druhy inklinují mít jedinečnou luciferase, velmi mnoho mít stejný luciferin. Pouze čtyři luciferiny jsou zodpovědné za produkci většiny světla v oceánu. Z téměř 20 skupin bioluminiscenčních organismů na světě devět z nich vyzařuje světlo z luciferinu zvaného coelenterazin.
Bylo by však chybou se domnívat, že všechny organismy obsahující coelenterazin pocházejí z jednoho světelného předka. Pokud by tomu tak bylo, proč by vyvinuli tak široké spektrum luciferázy, ptá se Warren Francis, biolog na Univerzitě Ludwiga Maximiliána v Mnichově. První pár luciferin-luciferázy měl pravděpodobně přežít a znásobit se.
Je také pravděpodobné, že mnoho z těchto druhů neprodukuje coelenterazin samostatně. Namísto toho ji získají ze své stravy, říká Yuichi Oba, profesor biologie na Chubu University v Japonsku.
V roce 2009 tým pod vedením Oba objevil, že coelenterazin vyrábí hluboký korýš (copepods) - malý, rozšířený korýš. Tito korýši jsou velmi bohatým zdrojem potravy pro širokou škálu mořských živočichů - tak hojných, že se v Japonsku nazývají rýží v oceánu. Myslí si, že tito korýši jsou klíčem k pochopení toho, proč je tolik mořských organismů bioluminiscenčních.
Oba, i jeho kolegové, vzali aminokyseliny, o nichž se věří, že jsou stavebními kameny coelenterazinu, označili je molekulárním markerem a naložili je do potravy pro copepody. Pak krmili toto jídlo korýšům v laboratoři.
Po 24 hodinách vědci extrahovali coelenterazin z korýšů a podívali se na přidané markery. Očividně byli všude - což byl konečný důkaz, že korýši syntetizovali molekuly luciferinu z aminokyselin.
Dokonce ani medúza, která poprvé objevila coelenterazin (a byla pojmenována po), neprodukuje coelenterazin vlastní. Svůj luciferin získávají tím, že jí korýši a jiné malé korýše.
Tajemný původ
Vědci našli další vodítko, které by mohlo pomoci vysvětlit popularitu coelenterazinu u hlubinných živočichů: tato molekula se také nachází v organismech, které nevyzařují světlo. To zasáhlo Jean-François Riese, biologa na katolické univerzitě v Leuvenu v Belgii, jako zvláštní. Je překvapivé, že „tolik zvířat se spoléhá na stejnou molekulu, aby vytvořilo světlo,“říká. Možná má coelenterazin kromě luminiscence i jiné funkce?
Při pokusech s jaterními buňkami potkanů Reese ukázal, že coelenterazin je silným antioxidantem. Jeho hypotéza: Coelenterazin se mohl poprvé rozšířit mezi mořské organismy žijící v povrchových vodách. Tam by antioxidant mohl poskytnout nezbytnou ochranu před oxidačními účinky škodlivého slunečního světla.
Když tyto organismy začaly kolonizovat hlubší oceánské vody, kde je potřeba antioxidantů nižší, byla užitečná schopnost coelenterazinu vyzařovat světlo, navrhl Reese. V průběhu času si organismy vyvinuly různé strategie - jako je luciferáza a specializované světelné orgány - ke zvýšení této kvality.
Vědci však nepřišli na to, jak jiné organismy, nejen copepody Oba, vyrábějí coelenterazin. Geny, které kódují coelenterazin, jsou také zcela neznámé.
Vezměte si například želé. Tito starověcí mořští tvorové - někteří považováni za první větev živočišného stromu - byli dlouho podezřelí z produkce coelenterazinu. Ale nikdo to nebyl schopen potvrdit, natož identifikovat konkrétní genetické pokyny v práci.
V loňském roce však bylo hlášeno, že skupina vědců vedená Francisem a Haddockem narazila na gen, který se může podílet na syntéze luciferinu. Aby to mohli udělat, studovali transkripty ctenophorů, což jsou snímky genů, které zvíře v daném okamžiku exprimuje. Hledali geny kódované pro skupinu tří aminokyselin - stejné aminokyseliny, které oba krmili svými kopepody.
Mezi 22 druhy bioluminiscenčních ctenophorů našli vědci skupinu genů, která odpovídá jejich kritériím. Stejné geny chyběly u dvou dalších neluminiscenčních druhů ctenoforů.
Nový svět
Genetický mechanismus bioluminiscence má aplikace mimo evoluční biologii. Pokud vědci dokážou izolovat geny pro páry luciferin a luciferáza, mohly by z nějakého důvodu potenciálně způsobit záři organismů a buněk.
V roce 1986 vědci z University of California v San Diegu upravili a začlenili gen luciferázy světlušky do tabákových rostlin. Studie byla zveřejněna v časopise Science, kde se jedna z těchto rostlin děsivě rozžhavila na tmavém pozadí.
Tato rostlina sama o sobě neprodukuje světlo - obsahuje luciferázu. Aby však tento tabák zářil, musí být napojen roztokem obsahujícím luciferin.
O třicet let později vědci stále nebyli schopni vytvořit samo-světelné organismy pomocí genetického inženýrství, protože neznají biosyntetické cesty pro většinu luciferinů. (Jediná výjimka byla nalezena u bakterií: Vědci dokázali identifikovat geny záře, které kódují bakteriální systém luciferin-luciferáza, ale tyto geny je třeba upravit tak, aby byly užitečné pro jakýkoli nebakteriální organismus.)
Jedním z největších potenciálních využití luciferinu a luciferázy v buněčné biologii je jejich začlenění jako cibule do buněk a tkání. Tato technologie by byla užitečná pro sledování polohy buněk, genové exprese, produkce proteinů, říká Jennifer Prescher, profesor chemie na University of California v Irvine.
Použití bioluminiscenčních molekul bude stejně užitečné jako použití fluorescenčního proteinu, který se již používá ke sledování vývoje infekcí HIV, vizualizaci nádorů a sledování poškození nervů při Alzheimerově chorobě.
V současné době musí vědci používající luciferin pro zobrazovací experimenty vytvořit jeho syntetickou verzi nebo si ji koupit za 50 $ za miligram. Zavedení luciferinu z vnějšku do buňky je také obtížné - nebyl by problém, kdyby buňka mohla vyrobit svůj vlastní luciferin.
Výzkum pokračuje a postupně definuje evoluční a chemické procesy o tom, jak organismy produkují světlo. Ale většina bioluminiscenčního světa je stále ve tmě.
Ilya Khel