BIOLUMINISCENCIA

BIOLUMINISCENCIA

La bioluminiscencia es un interesante proceso bioquímico, por el que los organismos emiten luz. Este fenómeno ocurre en muchas especies de animales tanto vertebrados como invertebrados, plantas, hongos, insectos y bacterias. Estos organismos están ampliamente distribuidos a lo largo del planeta en numerosos ambientes, pero de todos los organismos, se consideran a las bacterias bioluminiscentes como las más abundantes en la naturaleza. El hábitat principal de estas especies es el océano, ya sea que se encuentren viviendo de manera libre o asociadas frecuentemente de manera simbiótica (en el tracto intestinal y en órganos luminosos) con otros organismos marinos.

Las especies de bacterias marinas mayormente estudiadas son Vibrio harveyi y Vibrio fischeri. Se sabe que V. harveyi puede estar asociado al intestino de algunos animales marinos o encontrarse como un microorganismo de vida libre en el océano; mientras que V. fischeri además de encontrase en estos hábitats también vive en cultivo puro como simbionte de los órganos productores de luz en varios peces y calamares. Photobacterium phosphoreum, Photobacterium leiognathi y Xenorhabdus luminescens, son ejemplos de otros microorganismos bioluminiscentes que ha proporcionado información valiosa. Estos organismos han captado la atención de investigadores a lo largo de la historia, desde Caius Plinius hasta Harvey en 1957, dada su notable belleza en la oscuridad debida a su capacidad de emitir luz. Sin embargo, los orígenes de estas bacterias aun no están claramente establecidos. Una de estas razones es que la mayoría de los organismos bioluminiscentes son relativamente inaccesibles a la investigación, por la distribución ecológica de los mismos. Desde su descubrimiento, se han propuestos diversas teorías para entender el mecanismo de emisión de luz.

La facilidad de evaluar una respuesta fisiológica a partir de la producción de luz, ha convertido al estudio de la bioluminiscencia en un sistema modelo de regulación biológica. Ha sido de vital importancia para la descripción de los mecanismos de comunicación celular entre los organismos, mecnismo conocido como quorum sensing, y que está relacionado con la regulación del crecimiento microbiano en función de la cantidad de microorganismos presentes. La descripción del mecanismo biológico y regulación genética, son temas que siguen entre los temas de avanzada en fisiología microbiana. Por otra parte, el conocimiento de los genes involucrados y su incorporación en otros microorganismos por medio de técnicas de DNA recombinante, abren la posibilidad de desarrollar sistemas de monitoreo para ser aplicados en áreas tan diversas como la industria farmacéutica, alimentaria o ambiental. En la presente revisión, nos enfocaremos a explicar el fenómeno de bioluminiscencia en las bacterias marinas, así como su utilización dentro de la biotecnología moderna.

EL FENÓMENO DE EMISIÓN DE LUZ

La capacidad de emitir luz en bacterias bioluminiscentes marinas, así como su función en términos de sobrevivencia, fisiología y metabolismo ha sido tema de frecuente discusión. Se sabe que las bacterias que se encuentran en simbiosis con organismos marinos, les proporcionan ventajas en el ecosistema, ya sea porque utilicen la luz como un sistema de comunicación entre especies, como mecanismo de defensa o para la atracción de presas. Sin embargo, aun no se entiende por completo qué beneficio obtienen las bacterias simbiontes al producir luz. Por otra parte, parece obvio que la luminiscencia debe tener un valor importante, dado la cantidad de energía celular que es consumida en este proceso.

La reacción de emisión de luz por parte de estas bacterias depende de la enzima luciferasa. Esta es una enzima dimérica que consiste en dos subunidades (α y β), y tiene un peso molecular aproximado de 80KDa. La actividad catalítica de esta enzima requiere de tres substratos: luciferina, oxígeno y ATP. El producto de la catálisis es un estado oxidado de la luciferina a un componente de dioxicetano, que es inestable. Este emite un fotón y produce CO2 y oxiluciferina. Considerando la estequiometría de la reacción, por cada molécula de ATP consumida se emite aproximadamente un fotón. Esta propiedad, junto con la alta especificidad de la enzima por el nucleótido, hace que esta reacción sea un sistema analítico ideal para detectar la presencia de ATP, su producción o consumo, que depende de la actividad enzimática y para cuantificar substratos relacionados con el metabolismo del ATP.

Los primeros estudios sobre el mecanismo de bioluminiscencia bacteriano sugerían una serie de pasos metabólicos. Inicialmente, se propuso que una molécula reducida de mononucleótido de flavina (FMNH2) se utilizaba para reducir la luciferasa. Estas conclusiones se modificaron rápidamente, al encontrarse que dos moléculas de flavina en lugar de una, eran las que estaban involucradas en esta reacción. Otras investigaciones sugieren que una molécula de FMNH2 combinada con el oxígeno forma un peróxido altamente reactivo, mientras que otro se combina con una molécula de aldehído para formar un componente de FMNH2 -aldehído. En la actualidad se sabe que la reacción conduce a la oxidación de FMNH2 a FMN, así como a la oxidación de aldehídos a ácidos grasos.

RCHO+FMNH2 +O2 → RCOOH+FMN+H2O+ luz

Los ácidos grasos producidos en la reacción catalizada por la luciferasa son subsecuentemente reducidos a aldehídos por una reductasa específica, resultando en una emisión luz azul-verde a una longitud de onda de 490 nm. La inducción del sistema de bioluminiscencia durante el crecimiento en algunas bacterias marinas, se acompaña de la síntesis de polipéptidos, que se sugiere están involucrados en la síntesis enzimática del aldehído. Así pues se sabe que en la misma reacción, el NADPH + H+ se convierte a NADP+ y el ATP es hidrolizado a ADP. Como se puede observar, la bioluminiscencia es un proceso en el que se consume energía; de hecho, para producir luz, las bacterias podrían usar un 20% de la energía total de la célula.

REGULACIÓN GENETICA

La regulación genética del proceso de bioluminiscencia en bacterias, está controlado en el operon luxCDABE (Figura 1), en donde se encuentra cinco genes estructurales requeridos para la emisión de luz: los genes luxC, luxD y luxE que codifican para el complejo reductasa de los ácidos grasos necesarios para reciclar el substrato aldehído, y luxA y luxB que codifican para las subunidades α y β de la luciferasa. También se ha observado la expresión de otros genes como el luxG y el luxH, que podrían codificar para algunas proteínas involucradas en la biosíntesis de la flavina.

Figura 1. Operon lux de bacterias marinas luminiscentes.

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