INTRODUCCIÓN

La bioluminiscencia es la capacidad de emisión de luz que presentan determinados seres vivos (plantas, animales, microorganismos u hongos). La reacción de denomina quimioluminiscencia y consiste en la conversión de energía química, procedente de una reacción exergónica, en energía luminosa sin que se genere calor.

TIPOS DE BIOLUMINISCENCIA

Según su origen tanto de los materiales como el origen de las reacciones, podemos clasificar la luminiscencia en varios tipos:

Fluorescencia:Es la emisión de energía en forma de luz visible de algunos compuestos cuando sus átomos o moléculas son irradiados por luz de longitudes de onda más corta, como la de los rayos-X o luz ultravioleta.

Fosforescencia: La diferencia con la fluorescencia reside en que en los materiales fluorescentes la emisión perdura en el tiempo. Es por esto que estos materiales pueden brillar luego de que la energía que los irradia ha desaparecido.

Electroluminiscencia: La emisión de luz visible es provocada por la acción de corrientes eléctricas. En este ejemplo, el cordón se ilumina al proporcionarle una corriente eléctrica que excita los electrones del material que lo compone.

Quimioluminiscencia: El efecto luminoso es resultado de una reacción entre sustancias químicas. Un claro ejemplo es la bioluminiscencia, es decir, aquella generada por organismos vivos.

Termoluminiscencia: Ciertos materiales, como la fluorita, emiten luz al ser calentados. El calor es el desencadenante de la reacción.





Triboluminiscencia: Existen materiales no metálicos que emiten luz al ser sometidas a acciones mecánicas como ser molidos, aplastados o rayados.

Radioluminiscencia: En este caso la energía activante proviene de reacciones nucleares. El Tritio es un elemento radioluminiscente.

MECANISMOS GENERALES DE BIOLUMINISCENCIA

Para que la reacción química se produzca es necesaria la presencia de tres componentes esenciales: una molécula bioquímica luminiscente que actúa como sustrato (luciferina), una enzima que cataliza la reacción de oxidación (luciferasa) y oxígeno molecular. Generalmente también son necesarios otros elementos como el ion calcio (Ca2+), el ion magnesio (Mg 2+) o adenosintrifosfato (ATP) para activar el proceso.

La reacción se basa en la oxidación de la proteína luciferina en presencia de la enzima luciferasa, la cual cataliza la reacción incrementando exponencialmente uno de sus parámetros cinéticos, la velocidad. El ATP proporciona la energía necesaria para la obtención de oxoluciferina (luciferina oxidada) en estado excitado. Los átomos de oxoluciferina retornan a su estado fundamental emitiendo el incremento de energía en forma de fotones de luz. Además de luz visible, también se genera CO2 como producto de la reacción.

Su eficiencia en términos energéticos reside en que a diferencia de la mayoría de las reacciones químicas la quimioluminiscencia no genera calor como producto secundario a pesar de la gran intensidad de la luz emitida.

La estructura y composición de la luciferina y la luciferasa así como las características de la reacción son muy diferentes en función de los distintos sistemas biológicos, lo que indicaría distintos orígenes evolutivos. La única característica común en todos los seres vivos que emiten luz es el requerimiento de oxígeno.

En cuanto a su utilidad la bioluminiscencia tiene distintas funciones en los ambientes naturales como la defensa, la comunicación, la reproducción o la depredación (atracción de presas).

El origen de dicho fenómeno está aún sujeto a conjeturas.

ORGANISMOS UNICELULARES LUMINISCENTES

Entre los microorganismos, algunas bacterias, protistas (fundamentalmente
dinoflagelados) y hongos son bioluminiscentes (la quimioluminiscencia depende de la existencia de una reacción química, no de la absorción de luz, como es el caso de la fotoluminiscencia). Hasta el momento, no se ha encontrado ninguna especie bioluminiscente en el dominio Archaea.

Existe una gran cantidad de bacterias luminiscentes de ambientes marinos, tracto digestivo de peces e invertebrados marinos, ambientes edáficos, de vida libre, etc.

Entre todas ellas, a continuación se explicarán algunas características de ellas eligiendo diferentes hábitats.

Todas las especies de vida libre son saprófitas, vivendo sobre restos de animales marinos muertos. También se han aislado una serie de especies parásitas de crustáceos y la especie patógena para el hombre, V. vulnificus, que puede infectar las heridas.

Por último, algunas bacterias marinas bioluminiscentes (V. fischeri, P.phosphoreum, P. leiognathi) establecen simbiosis mutualistas con numerosos peces teleósteos, calamares y jibias que las almacenan en órganos especializados. En ellos, las bacterias pueden alcanzar poblaciones muy
elevadas. La emisión de luz y el crecimiento bacteriano están controlados por el hospedador.

Las especies terrestres bioluminiscentes están incluidas en los géneros Xenorhabdus y Photorhabdus y muchas de ellas son endosimbiontes de nematodos y patógenas de una gran variedad de insectos.

Algunos nematodos entomopatógenos (agente microscópico que origina enfermedades en artrópodos, como, por ejemplo, Steinernema carpocapsae) mantienen asociaciones mutualistas
con bacterias bioluminiscentes del género Xenorhabdus, que se localizan en una vesícula
especializada del tracto digestivo del nematodo, esperando el momento en el cual estos
parasiten un insecto. Los nematodos invaden al insecto a través de la boca o de los
espiráculos, penetrando luego en la pared del intestino. Allí se incorporan al hemocele,
creciendo rápidamente en la hemolinfa.

Sin la asociación con las bacterias, el nematodo no podría terminar su ciclo vital, puesto que las bacterias contribuyen a la muerte del insecto mediante la síntesis de diversas toxinas y, además, permiten la asimilación de algunos nutrientes al liberar proteasas y lipasas extracelulares que destruyen los tejidos del cadáver. Por último, también inhiben el crecimiento de otras bacterias produciendo antibióticos (xenorabdicina).

Respecto a la reacción de bioluminiscencia, nos centraremos en la especie marina Vibrio harveyi:

Se requieren, como mínimo, dos elementos: la luciferina, que produce luz, y la luciferasa, enzima que cataliza la reacción. La luciferina, enzima catalítica, reacciona en presencia de O2, genera un exceso de energía que se libera en forma de luz.

A nivel molecular, podemos afirmar que la reacción consiste en la oxidación por oxígeno molecular de un aldehído mirístico o tetradecanal (RCHO) y un flavínmononucleótido reducido (FMNH2), dando como resultado la emisión de luz de color verde-azulado, con un máximo de emisión in vitro a 490 nm.
Esta reacción biológica supone un elevado gasto energético para la célula, que se obtiene a expensas de la respiración aerobia del microorganismo. Acoplada a la reacción de emisión de luz catalizada por la luciferasa, se lleva a cabo una reacción de reciclaje del aldehído mirístico, catalizada con el complejo multienzimático ácido mirístico-reductasa (ácido graso reductasa).

EUPRYMNA SCOLOPES

El Euprymna Scolopes es una especie de calamar rabicorto, perteneciente al grupo de los cefalópodos. Esta especie se encuentra en aguas cálidas circundantes al archipiélago de Hawái, y a pesar de ser un animal nocturno habita cerca de la superficie, entre 2 y 4 centímetros de profundidad. Este calamar es uno de los más pequeños dentro de la familia Sepiolidae, midiendo apenas 35 milímetros de largo, y pesando en promedio 2.76 gramos.

Durante el día, mientras no está cazando, esta especie suele enterrarse en la arena para camuflarse de sus depredadores, aunque también puede estar activa de día. Durante la noche tiene algunos mecanismos que le ayudan a cazar y camuflarse de sus depredadores al mismo tiempo, los cuales se nombrarán más adelante.

Una característica muy peculiar de este animal es la bioluminiscencia, que consiste en la producción de luz de algunos organismos. A pesar de que varios organismos posean esta característica, el Euprymna Scolopes genera esta luz de una forma muy distinta a la mayoría de los seres vivos. Este animal genera la luz por medio de la simbiosis con una bacteria llamada Vibrio Fischeri.  

La simbiosis es una asociación entre organismos de distintas especies, en este caso entre este calamar y esta bacteria. Este calamar posee un órgano de luz bilobulado en su manto, el que no contiene bacterias cuando es recién nacido, pero mientras el animal alcanza la madurez su órgano se va poblando, y al llegar a ser adulto ya es capaz de interactuar con las bacterias para producir luz. Para llegar a este punto primero se debe pasar por una serie de etapas, desde el encuentro entre los dos organismos hasta llegar a un equilibrio en la relación en donde ambos están sincronizados y la generación de luz funciona correctamente. Para la generación de luz la bacteria Vibrio Fischeri cuenta con genes llamados lux, encargados de codificar la enzima luciferasa, la que produce la luz a través de la siguiente reacción química:

FMNH2 + RCHO + O2 → FMN + RCOOH + H2O + hv (490 nm)

Además, es necesario que exista una gran densidad de población de bacterias para que exista bioluminiscencia, por lo que el calamar alimenta a las bacterias para que su densidad de población aumente (entran más a su órgano), y así es capaz de producir una gran cantidad de luz. Esta característica le es muy útil para cazar por la noche.

APLICACIONES DE LA LUMINISCENCIA

APLICACIONES PRÁCTICAS.

• Las bacterias bioluminiscentes del agua se utilizan como detectores de la contaminación del entorno: los elementos tóxicos afectan a la intensidad de la luz, lo que permite medir el grado de polución del medio.

• Medicina: se pueden expresar sustancias bioluminiscentes en cualquier tejido, estudiar procesos biológicos ocultos hasta ahora, evitando el uso de marcadores radiactivos nocivos. Esto favorece el estudio del Alzheimer, Parkinson y algunos tipos de cáncer.
• El proyecto Glowing Plant (planta brillante), a cargo de la compañía Genome Compiler, desarrolla plantas transgénicas fluorescentes, con la idea de que algún día lleguen a reemplazar al alumbrado público tradicional. Así, se muta la planta Arabidopsis thaliana gracias a la bacteria Vibrio fischeri, que tiene la capacidad de ser luminiscente.

• Vídeo de especies vegetales modificadas geneticamente para que emitan luz.

• En España, cuatro grupos de investigación de la Red de Enfermedades Tropicales (Ricet), perteneciente al Instituto de Salud Carlos III, han desarrollado unas proteínas fluorescentes rojas a partir de la luciérnaga y el pólipo marino Renilla reniformis, que permitirán evaluar la patogenicidad en tiempo real, hacer estudios de cribado de fármacos de alto rendimiento y constituirán un sistema de alerta en ciertas enfermedades mucho más precoces que los propios síntomas. Además, reducirán 90% la cantidad de animales que exige sacrificar la actual metodología utilizada en experimentación.
• Video de las diferentes utilidades de la bioluminiscencia en la naturaleza.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA BIOLUMINISCENCIA

Ventajas:

En los animales:

·         Aparearse: los animales utilizan la bioluminiscencia como modo de apareamiento, para asi atraer a las hembras.

·          cazar presas y defensa: utilizan la bioluminiscencia como señuelo para atraer a sus presas, además muchos de ellos brillan cuando detectan un depredador, posiblemente haciendo a éste más vulnerable al atraer la atención de los depredadores de los niveles tróficos superiores.

·          Camuflaje: el animal utiliza la bioluminiscencia para confundirse con la luz ambiental.

·         Distracción: Una nube de material luminiscente es expulsado, con el propósito de distraer o repeler un posible depredador, mientras el animal escapa a un lugar seguro.

·          Otra ventaja muy interesante es la de comunicación entre los individuos, son unos modos de comunicación no descubiertos por la ciencia.

En los humanos:

·         Una de las primeras ventajas a nivel de beneficio humano es que la bioluminiscencia es un modo de producir luz y no de potenciar la ya existente. la bioluminiscencia es mucho más eficiente y avanzada: no genera calor ni, por tanto, malgasto de energía. Es una luz que no contamina ni se agota, que se autorregula según el entorno y los estímulos de uno o un grupo de organismos.

·         La proteína GFP, observada por primera vez en la medusa Aequorea victoria, se ha convertido en una de las herramientas más utilizadas en biomedicina. Gracias a esta proteína luminosa los investigadores han desarrollado formas de observar procesos, como el desarrollo de las células nerviosas en el cerebro o la propagación del cáncer en las células.

Desventajas:

·         pérdida de biodiversidad, ya que el ser humano ha comenzado a utilizar a estos seres para la obtención de luz, y por tanto el número se verá reducido a largo plazo.