Bioluminiscence

Existuje celá řada organismů různých biotopů schopných bioluminiscence – může to být světélkování bakterií na hnijícím substrátu, modrá luminiscence prvoků na březích tropických moří či svit světlušek (Lampyris noctiluca). Bioluminiscence je pozorována u řady jednoduchých organismů a živočichů – bakterií, hub (Omphalotus nidiformis, Omphalotus olearius), hmyzu, mořských bezobratlých živočichů a ryb; nebyly však dosud nalezeny příklady vyšších rostlin, obojživelníků, plazů, ptáků a savců schopných bioluminiscence.

Biologové předpokládají několik důvodů, proč došlo k evoluci bioluminiscence

1. Role v ochraně a přežití organismu

Někteří podmořští živočichové, jako např. určité druhy chobotnic vylučují svítící sekret, který má za úkol zmást nepřítele a napomoci útěku. Jiní hlubokomořští živočichové mají svítící části těla, které přitahují potenciální kořist, případně úspěšně odstrašují predátory. Předpokládá se též, že bioluminiscence hraje významnou úlohu v sexuální komunikaci a rozpoznání partnera.

2. Role bioluminiscence v buněčné ochraně

Předpokládá se, že bioluminiscence u nižších organismů jako například bakterie, prvoci a houby může být evolučním pozůstatkem z dob, kdy atmosféra Země byla chudá na kyslík (který byl pro primitivní organismy jedovatý). Bioluminiscence může představovat obranný mechanismus, jak zneškodnit stopy kyslíku v organismu, který zůstal zachován i po adaptaci na kyslíkovou atmosféru.

Molekulární principy bioluminiscence

Většina organismů schopných bioluminiscence využívá enzymem katalyzovanou reakci vhodného substrátu s kyslíkem za přítomnosti kofaktorů. Při oxidaci se substrát oxiduje na produkty v excitovaném stavu, které přebytek energie emitují ve formě světla.

Nejznámější příklad je oxidace luciferinu (typický pro čeleď světlušek) kyslíkem za katalýzy enzymem luciferázou v přítomnosti hořečnatých solí a ATP. Tato sekvence je vyobrazena ve Schématu 1.

V první fázi reakce reaguje luciferin s kyslíkem za spotřeby ATP, asistence Mg²⁺ a katalýzy enzymem luciferázou na reaktivní, vysoce nestabilní intermediát Int1. Tento intermediát se v druhé fázi rozpadá za uvolnění oxidu uhličitého a tvorby intermediátu Int2 v excitovaném stavu. Intermediát Int2 v excitovaném stavu deexcituje vyzářením fotonu o příslušné vlnové délce (fáze 3). V případě luciferinu se jedná o žlutozelené světlo o vlnové délce 550-570 nm.

K čemu se to hodí ve vědě

Bioluminiscence založená na reakci luciferinu s kyslíkem za katalýzy luciferázou je v dnešní době intenzivně využívána v biologii a biochemii.

S pomocí bioluminiscence je například možné měřit nízké koncentrace ATP (který je nutný pro oxidaci luciferinu). Další vyspělá aplikace využívá sledování šíření genů exprimujících luciferázu, protože přenesení luciferázového genu se dá bioluminiscenčním pokusem velmi snadno ověřit, čehož se využívá v genetickém inženýrství. Bioluminiscenční zobrazování je další vysoce pokročilá technika, která se využívá ve studiu procesů probíhajících v živých organismech. Kupříkladu s pomocí speciální buněčné linie bioluminiscenčních rakovinných buněk je možné sledovat šíření rakoviny v pokusných zvířatech a efektivněji identifikovat mechanismy, jak takovému šíření zabránit. Podobná využití bioluminiscence jsou dnes podrobně zkoumána a představují dynamicky se rozvíjející obor.