Da Pandora alla Terra, una luce nell’evoluzione: la Bioluminescenza

Spesso ciò che ci circonda viene dato per scontato e, ancora più spesso, apprezzato solo dopo averlo visto sul grande schermo. La meraviglia dell’evoluzione ha tuttavia portato alla nascita della luce della vita, in tutti i suoi aspetti.

Istantanea del film Avatar che ritrae il protagonista immerso in pollini luminescenti.

Avatar, capolavoro indiscusso del regista americano James Cameron. La pellicola sci-fi narra le vicende del pianeta Pandora, terra primordiale in cui, l’unica forma di vita senziente, è la tribù dei Na’vi. Gli umani tenderanno ad avvicinare i locali attraverso degli Avatar, cloni controllati da remoto. Chi viene incaricato di tessere i rapporti con le tribù autoctone rimane, tuttavia stregato dalla principessa Neytiri e dallo stesso pianeta. Una delle scene clou è caratterizzata da piante e animali definiti, già dallo scenografo, bioluminescenti. Analogamente al pianeta Pandora, il nostro pianeta offre una variegata presenza di organismi in grado di generare il medesimo fenomeno: la Bioluminescenza.

Gli animali bioluminescenti e fluorescenti

Molti animali, anche distanti tra loro a livello tassonomico, sono in grado di generare fenomeni di bioluminescenza. Prevalentemente si tratta di animali marini (come la grande famiglia dei pesci lanterna, alcune specie del zooplancton), prevalentemente specie abissali, ma vi sono anche specie terricole capaci di generare questo fenomeno, si pensi ad esempio ad insetti come le lucciole (lampirydae), ai ‘vermi luminosi’ o ad alcuni funghi (ad ora circa 70 specie note) dai nomi impronunciabili (per i fan del gioco dell’impiccato, famiglie: Omphalotaceae; Marasmiaceae).
I fenomeni legati alla bioluminescenza, tra i terricoli, sono spesso collegati al corteggiamento tra questi organismi che, letteralmente, si pavoneggiano mostrando quanto è intensa la propria emissione luminosa.
Molto più sottile è, invece, il fine ultimo di organismi come i funghi. La luminescenza sembra essere legata direttamente al ritmo circadiano (si definisce ritmo circadiano la sequenza di eventi che vanno ripetendosi ogni 24 ore; un esempio è il ritmo veglia/sonno) facendo sì che questa avvenga solo in determinati momenti della giornata così da attirare insetti che, entrandovi in contatto, trasporteranno altrove le spore del cappuccio permettendo la diffusione della specie.

Istantanea della Toyama Bay, Giappone: questa spiaggia, nei periodi invernali, è invasa dai calamari lucciola.

La Bioluminescenza

Con il termine luminescenza intendiamo una trasformazione di energia chimica in energia luminosa.
A livello biologico, questo fenomeno, è possibile grazie a proteine che vengono, in modo generico, definite come Luciferasi. Nella reazione sono coinvolte molecole, spesso policicliche, che prendono il nome di Luciferine.
Il termine Luciferine indica un vasto gruppo di composti eterociclici in grado di emettere luce.
Le proteine Luciferasi catalizzano una reazione di ossidazione (sottrazione di elettrone) di una molecola di Luciferina, consumando ossigeno ed energia (energia chimica sotto forma di ATP) ottenendo, come prodotto, una molecola intermedia altamente instabile. Dal momento che ogni sistema tende alla minima energia per rimanere stabile, la Luciferina ossidata decade emettendo radiazioni elettromagnetiche che, spesso, cadono nello spettro del visibile, quindi: luce!

Luciferasi di Photinus Pyralis, PDB ‘Protein Data Bank’, PDB entry 4D1X.

La fluorescenza

Per Fluorescenza intendiamo un evento in cui una radiazione viene assorbita e, generalmente, riemessa con una lunghezza d’onda maggiore. A livello biologico questo evento venne definito per la prima volta dal ricercatore americano O. Shimomura, nel 1962 che riuscì ad isolare, dalla medusa Aequorea victoria, la proteina nota come Green Fluerescent Protein, o semplicemente GFP. Ad oggi non esiste laboratorio biologico che non abbia utilizzato GFP o un suo derivato, ciò ha portato il ricercatore americano ad essere insignito del Premio Nobel per la chimica nel 2008 ‘per la scoperta e lo sviluppo della proteina fluorescente verde GFP’.

Medusa Aequorea victoria e la proteina GFP.

GFP è una proteina che contiene un composto poliaromatico, al centro della propria struttura, in grado di assorbire radiazioni elettromagnetiche in un determinato range di lunghezze d’onda per poi riemettere questa radiazione ad una lunghezza d’onda più alta, che ricade nello spettro del visibile. La medusa Aequorea victoria, ovviamente, non rimanere esposta a radiazioni elettromagnetiche troppo a lungo a causa della propria biologia. La radiazione elettromagnetica che va ad attivare GFP si sviluppa da una reazione di bioluminescenza, la quale, funziona esattamente come il sistema Luciferasi/Luciferina; In questo caso le due componenti vengono rispettivamente definite come Aequorina e Celenterazina. La reazione chimica avviene in prossimità della GFP: il Fluoroforo, posto al centro della proteina, assorbe la radiazione elettromagnetica portando così i propri elettroni in uno stato eccitato. Il sistema diventa così instabile, avviene l’emissione di un fotone che ricade nella lunghezza d’onda del verde, riportando il sistema in uno stato di quiete.

Applicazioni

Sia la bioluminescenza che la fluorescenza hanno preso piede nel campo della ricerca in ogni laboratorio conosciuto, grazie alla loro semplicità di utilizzo ed alla loro grande efficacia. Con l’avvento delle pratiche di clonaggio genico è stato possibile manipolare il DNA dapprima dei microrganismi e poi degli organismi superiori (tra cui anche alcuni mammiferi) ed avere quindi la possibilità di ‘inserire’ un marcatore molecolare, come GFP, in parti specifiche del genoma dell’ospite, ciò ha reso possibile capire eventi che andavano oltre la nostra comprensione, semplicemente esponendo le cellule che la producono a sorgenti luminose della giusta lunghezza d’onda. Ovviamente un solo evidenziatore non è mai abbastanza: anche GFP è stata studiata a fondo e, infine, ingegnerizzata al fine di ottenere una palette di fluoroscenze abbastanza ampia.

Piastra Petri con colonie batteriche in grado di esprimere 8 tipi diversi di proteine fluorescenti (Soggetto: tramonto di San Francisco, batteri su Agar, AA.VV).

Di seguito alla scoperta di Shimomura, la proteina GFP è dunque venuta assumendo un’importanza sempre maggiore in campo biologico, in quanto grazie ad essa è possibile marcare e osservare passo passo processi altrimenti invisibili, dallo sviluppo delle cellule nervose cerebrali alla diffusione di quelle tumorali.

Gatto transgenico che esprime GFP tra le proteine del pelo. Assieme al macaco, il gatto è l’unico animale che può essere infettato da AIDS. Un marker molecolare come GFP rende più semplice lo studio della malattia e di eventuali cure.

 

 

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