Ecco spiegato come fanno le lucciole a brillare di luce propria

Il fenomeno della bioluminescenza presente in pesci, insetti e batteri è stato di grande aiuto nelle biotecnologie.

I fenomeni di bioluminescenza presenti in natura sono degli spettacoli mozzafiato che nel tempo hanno portato l’uomo a farsi delle domande sul loro meccanismo, scoprendo molecole molto utili.

Fenomeni luminescenti

La bioluminescenza di per sé è molto semplice, è un fenomeno presente in alcuni pesci, insetti e batteri che permette di emettere luce. Anche se questi fenomeni hanno un fine comune, ovvero quello di emettere luce, non sempre se ne conosce il vantaggio che l’organismo ne trae e la loro origine. Questo fenomeno trova parecchia diffusione nel mondo marino, in alcuni pesci ed altri invertebrati. Tra i pesci un caso molto interessante è quello di alcuni squali che vivono nelle acque delle coste atlantiche e del Pacifico che presentano intere fasce bioluminescenti sul loro corpo, emettono luce probabilmente per comunicare. La cosa interessante scoperta è che questo meccanismo nel loro caso ha anche un effetto antimicrobico, proteggendoli da altri microorganismi acquatici e alghe. Un esempio terrestre invece sono le famosa lucciole, insetti in grado di produrre luce. Il principio alla base di questi fenomeni è una reazione catalizzata dell’enzima Luciferasi. La reazione coinvolge un pigmento chiamato luciferina, che utilizza come fonte energetica l’ATP, in presenza di ossigeno e calcio. La reazione converte quasi il 90% dell’energia chimica in energia luminosa. Altri organismi marini utilizzano la stessa reazione, ma c’è da specificare che la luciferasi non è un singolo enzima, ma una famiglia di essi, e che ogni organismo può presentarne luciferasi leggermente diverse. Molti dei pesci e invertebrati marini che utilizzano questa reazione lo fanno in un preciso organo chiamato fotoforo, distribuito sulla superficie corporea in modo diverso e che nella maggior parte dei casi ha il compito di spaventare i predatori. Inoltre la distribuzione dei fotofori e il loro numero può essere utilizzato anche in campo tassonomico, quindi per la classificazione.

Altri meccanismi per emettere luce

La reazione catalizzata dalla luciferasi non è l’unico modo per produrre  luce. Tra gli organismi bioluminescenti molto importanti ci sono i batteri. Infatti alcuni batteri vivono in simbiosi con altri organismi, solitamente acquatici, permettendo loro di essere luminescenti grazie a reazioni effettuate dai batteri. Anche i batteri ci regalano degli spettacoli naturali come il milky sea, il fenomeno per il quale in alcuni punti il mare assume una colorazione bianca e luminescente grazie alla presenza dei batteri marini bioluminescenti Vibrio Harveyi. Altri fenomeni simili riguardanti un mare illuminato possono essere dovuti ai protisti Noctiluca Scintillans.

Mare luminescente, causato dai Noctiluca

Non tutti i fenomeni luminosi sono classificabili come bioluminescenza. Si conoscono centinaia di specie marine che emettono luce non grazie ad una conversione di energia proveniente dall’ATP in energia luminosa ma grazie ad un fenomeno di assorbimento ed emissione. Più precisamente quello che succede è che alcune sostante, come i pigmenti, hanno la capacità di assorbire luce ad una determinata lunghezza d’onda e di riemetterla successivamente  con una lunghezza diversa, che rientri nello spettro del visibile. La radiazione arriva all’atomo del pigmento permettendo ai suoi elettroni di passare ad uno stato energetico superiore, ma instabile, così costretto in pochissimo tempo a ritornare allo stato energetico precedente, più stabile, emettendo a sua volta una radiazione che in questi casi rientra nello specchio del visibile, compiendo il fenomeno della fluorescenza, differente quindi dalla luminescenza che può verificarsi anche in assenza di una sorgente luminosa. Un altro modo ancora con cui è possibile produrre luce è la fosforescenza, diversa dalla fluorescenza principalmente per il fatto che la fluorescenza emette lampi di luce di breve durata mentre la fosforescenza continua nel tempo affievolendosi gradualmente. Inoltre la fosforescenza è un fenomeno spontaneo di alcune molecole mentre la fluorescenza dipende sempre da una sorgente luminosa

Le applicazioni in biotecnologie

In biologia e biotecnologie cercare una determinata molecola all’interno di una cellula può essere un processo complicato e lungo dato le dimensioni del sistema di cui parliamo. L’utilizzo di molecole che emettano luce e che quindi siano più facilmente individuabili ha dato un grande contributo alla ricerca, ottimizzandola e velocizzandola. Molecole in grado di emettere luce sono dette fluorofori (o fluorocromi), sono solitamente legate ad alte molecole diventando come un faro per i ricercatori. Una delle situazioni in cui possono essere utili è ad esempio per la ricerca di una sequenza di RNA nella cellula, in questo caso si compone una sequenza complementare al nostro target ma munita di un fluoroforo. Come tutte le molecole fluorescenti i fluorofori devono essere prima colpiti da radiazioni che per i processi descritti prima rilasceranno successivamente producendo a loro volta radiazioni visibili. Una delle sostanze molto utilizzate è la GFP(Green Fluorescent Protein) della medusa Aequorea Victoria. Questa proteina presenta la proprietà intrinseca di emissione di luce, in particolare di luce verde accesa, e quindi non ha bisogno di altri enzimi né di substrati per funzionare. È spesso utilizzata per la ricerca di proteine subcellulari. Nel 1999 il dottor Zhiyuan Gong e i suoi colleghi facevano ricerche su queste meduse per provare a renderle fluorescenti nel momento in cui esse si fossero trovate in un ambiente inquinato. Successivamente i geni di questa medusa e di altri tipi di organismi furono ingegnerizzati in altri pesci, rendendo questi ultimi a strisce fluorescenti. Un accordo con degli imprenditori rese il progetto brevettato e questi pesci, sotto il nome di GloFish sono venduti solo negli Stati Uniti ( ad esclusione della California).

 

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