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Bioluminescenza

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by

nicolò gavioli

on 23 June 2015

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Transcript of Bioluminescenza

funzioni biologiche, meccansimi enzimatici
e metodi di regolazione

Bioluminescenza
But first...
facciamo "luce" su tre importanti fenomeni chimici che comportano l'emissione di fotoni
Fluorescenza
Capacità di una molecola eccitata di ritornare al suo stato fondamentale, dissipando l'energia sottoforma di fotoni.
John Frederick William Herschel
Fosforescenza
Fenomeno simile alla fluorescenza, ma su scala temporale più lunga e con variazioni della
molteplicità di spin
.
Il fenomeno della fosforescenza
è FORTEMENTE dipendente dalla temperatura!
Chemiluminescenza
A seguito di una
reazione chimica
viene prodotta una molecola instabile, che decade allo stato fondamentale
emettendo un fotone.
La chemiluminescenza è il fenomeno apposto alla fotochimica.
Chinino
La reazione tra il luminol e l'ossigeno è catalizzata dal sangue e da altre molecole biologiche.
And now...
La
bioluminescenza
è un fenomeno raro ma allo stesso tempo molto diffuso, anche tra specie distanti tra loro dal punto di vista evolutivo!
Luciferina e Luciferasi
Qualsiasi meccanismo di bioluminescenza ruota attorno alla reazione tra un substrato (una
luciferina)
, che reagisce con l'ossigeno emettendo luce.

Questa reazione è catalizzata da uno specifico enzima (una
luciferasi
).
Essendo la bioluminescenza un meccanismo probabilmente molto "antico", nei diversi gruppi biologici si sono sviluppate
intere famiglie di luciferine e luciferasi
e meccanismi differenti tra loro,
più o meno complessi.
Fiammelle con le Ali
Lampyridae
Perchè emettere luce?
Avvertire
Comunicare
Accoppiarsi
Uniche al mondo?
Sebbene siano sicuramente le più conosciute e diffuse, le lucciole non sono gli unici insetti a sfruttare il fenomeno della bioluminescenza.
"Railroad Worm"
fam. Phengodiade
"Click Beetle"
fam. Elateridae
Accendere la luce...
Luciferina e Luciferasi
Per dare energia al processo viene idrolizzata ATP
che crea con la luciferina un primo intermedio.
Abbiamo visto come la luciferina interagisce con la luciferasi per emettere luce...
come viene regolato questo meccanismo?
Come per il fuoco di un caminetto, tutto ruota attorno al flusso di OSSIGENO!
Aequorea Victoria
La scoperta della GFP
...e spegnerla!
Lampadine negli abissi
Reazione simile ma... meccanismo e componenti diversi!
Celenterazina
Aequorina
la Celenterazina reagsce con l'ossigeno diventando Celenteramide
il Calcio è alla base di un indispensabile cambio conformazionale dell'Aequorina
Blu o Verde?
La reazione che converte la elenteraziona in Celenteramide libera una tenue luce blu (circa 470 nm)... ma la fluorescenza dell'
Aequorea
è verde!
Fette di medusa e proteine fluorescenti
Osamu Shimomura
Osamu Shimomura nasce 27 Agosto 1928 a Fukuchiyama, città della prefettura di Kyoto.

Si laurea nel 1951 all'università di Nagasaki in ciò che oggi possiamo chiamare Scienze Farmaceutiche e nel 1958 completa un corso di laurea magistrale in Chimica Organica, ramo un cui otterrà anche un dottorato di ricerca nel 1960.

Sempre nel 1960, sotto la guida di un suo professore universitario, inizia il suo percorso di ricerca sulla bioluminescenza negli organismi marini, percorso che culminerà nel 1962 con la scoperta della GFP nella medusa
Aequorea victoria.
Per questo suo lavoro rivoluzionario viene insignito nel 2008 con il premio Nobel per la Chimica.
Uno sguardo sulla GFP
struttura a "
beta-barrell
":
11 beta-foglietti e 2 alfa-eliche
Il fluoroforo è formato da 3 amminoacidi e
ha bisogno di "maturare"
Piccole variazioni, grandi risultati!
Dinoflagellata
Nel blu dipinto di blu
Carta d'identità
Questa medusa appartiene alla classe degli
idrozoi
, è diffusa lungo le coste del Pacifico, dalla East Coast alle spiagge australiane .

Presenta un sottile anello di
fotociti lungo i bordi esterni.
Carta d'identità
Le lucciole sono insetti dell'ordine dei
Coleoptera
dotati di una "lanterna" localizzata in prossimita dei segmenti addominali terminali.

Due sono i generi più diffusi:
genere
Luciola
genere
Lampyris
Carta d'identità
Il
Lingulodinium polyedrum
è un'alga appartenente al phylum dei
Dinoflagellati
.

Come molti altri esemplari di dinoflagellati presenta una certa tossicità, specie in caso di infiorescenze algali massicce, producendo tossine accumulabili nella flora e nella fauna marina.

Rappresenta uno dei responsabili
del fenomeno della "Marea Rossa".
Due ipotesi riguardanti la regolazione della luminosità: per via meccanica, modificando l'apertura delle
trachee
, o per via chimica, rilasciando
monossido d'azoto
, un importante messaggero nella comunicazione cellulare.
Un gioco di prede e predatori
Perchè mai un' alga dovrebbe sviluppare bioluminescenza? Cosa la spinge a rendersi visibile, soprattutto quando raggiunge alte concentrazioni?
Questo dinoflagellato emette luce quando un corpo esterno entra a contatto con esso, attivando un' "allarme anti ladro" (
burglar alarm
).
Le lucciole possiedono e sfruttano la capacita di emettere luce in tutte le fasi del loro ciclo vitale.
Sparkling Scintillons
Gli "
Scintilloni
" sono gli organelli, posizionati a corona
attorno ai vacuoli dei dinoflagellati, deputati ad
emettere luce. Contengono luciferina, luciferasi
e una luciferin-binding protein (LBP).
La luciferina nei dinoflagellati è un derivato della clorofilla
Ogni subunità della luciferasi (organizzata in un trimero) è composta da un' "ingresso", costituito da un complesso di alfa-eliche, e una "camera di reazione",
costituita da un beta-barrell.

A causa della sua struttura, l'attività della luciferasi è FORTEMENTE dipendente dal pH.
Anche l'attività della LBP è legata al pH, ma con comportamento opposto alla luciferasi.
Schema semplificato del meccanismo di reazione
Attivare l'allarme
Il fenomeno della bioluminescenza si attiva in presenza di uno stimolo esterno, come ad esempio uno spostamento d'acqua.

Grazie ad un potenziale d'azione vengono
aperti canali voltaggio-dipendenti che
riversano protoni dal Vacuolo
agli Scintilloni.
Magie a breve termine
Come molti altri organismi, anche i Dinoflagellati regolano le loro attività seguendo il
ciclo circadiano.
In base alla posizione del sole si spostano verso la superficie dell'acqua per completare la fotosintesi o verso il fondale per cercare nutrimento.

Anche il fenomeno della bioluminescenza viene regolato secondo la quantità di luce nell'ambiente esterno. Come? Distruggendo e ricostruendo gli scintilloni!
Vibrio fischeri
L'unione fa la forza
Carta d'identità
Il
Vibrio fischeri
è un batterio bastoncellare e flagellato, gram negativo, uniformemente diffuso in tutti gli ambienti marini.

Ha rivestito e riveste ancora oggi un ruolo chiave per numerose scoperte nel campo della bioluminescenza,
del quorum sensing e degli effetti della
simbiosi batterico-animale.
Luce microscopica
In questo batterio la bioluminescenza è prodotta grazie all'interazione di 3 specifici fattori:
Il ruolo di luciferina è affidato al Flavin-mononucleotide (FMNH2), una molecola che è "sorella minore" del FADH2
La luciferasi batterica, divisa in due subunità alfa e beta
Un' aldeide a lunga catena
Regolazione e Quorum Sensing
La regolazione dell'emissione luminosa ruota attorno all'attività di un singolo, importantissimo operone: l'operone
Lux
.
due subunità
della luciferasi
complesso enzimatico
per la riduzione degli
acidi grassi
induttore
proteina
regolatrice
Una simbiosi vincente
Un "brillante" esempio di interazione costruttiva tra un batterio ed un anmale è appunto ciò che accade nel caso dell'
Euprymna scolopes
o "Calamaro Gigante delle Hawaii".

Già dopo poche ore dalla nascita, attraverso un sistema di perossidasi e catalasi, i Vibrio iniziano a colonizzare apposite "cripte" all'interno del mantello del calamaro.

Un serie di variazioni morfologiche
(tanto nel calamaro quanto nei batteri)
portano alla formazione di veri e
propri organi bioluminescenti.
Controilluminazione
L'
Euprymna scolopes
è un animale notturno. Spende il giorno nascosto sul fondale e va a caccia di cibo diurante la notte, passando inosservato agli occhi dei predatori sfruttando l'effetto della controilluminazione.
Funghi
un mondo da scoprire
Poche informazioni...
La maggior parte delle specie di fughi bioluminescenti appartengono al phylum dei Basidiomiceti.

Emettono generalmente una radiazione luminosa con lunghezza d'onda attorno a 530 nm, forse è il segno della presenza di un meccanismo comune.

Rimangono comunque numerose differenze
tra specie e specie, riguardanti modi e tempi
con cui il fenomeno della bioluminescenza
si presenta.
dall'alto, in senso orario:
Mycena fera,

Panellus stipticus
e
Armillaria mellea
... ma proprio poche!
La bioluminescenza potrebbe essere sfruttata per attirare insetti notturni, aumentando così la possibilità di spandere le spore... ma perchè spendere energia per brillare anche di giorno?

Un'altra ipotesi vede l'utilizzo della bioluminescenza
come metodo efficace per eliminare specie reattive
dell'ossigeno (perossidi, superossidi...).

Anche il meccanismo non è ancora completamente
compreso. Il pathway enzimatico più probabile
prevede la cooperazione tra due enzimi:
il primo funziona come una vera e propria
luciferasi
,
il secondo catalizza la
riduzione
della luciferina
ossidata e la sua re-immissione nel ciclo
della bioluminescenza.


Mycena luxaeterna
Tutta Fantascienza?
Glowing Plant Project
Chi?
Kyle Taylor, una laurea magistrale in Agricultural Biochemistry prima e un dottorato di ricerca in Biologia Molecolare poi, è il "braccio biotech".

Anthony Evans, laurea magistrale in Matematica all'università di Cambridge, è la "mente organizzatrice".

Nel 2013 lanciano una loro prima raccolta fondi per il loro progetto sul sito KickStarter.
Cosa?
Questo progetto mira a trovare un metodo per bioingegnerizzare una pianta, rendendola in
grado di sintetizzare tutte le molecole e gli
enzimi necessari a produrre bioluminescenza.

Primi risultati soddisfacenti sono stati ottenuti
con esemplari di Arabidopsis thaliana.
Il prossimo step sarà rendere bioluminescente una pianta di rose.
un progetto che parte da lontano
Come?
Tutto parte da esemplari di
Agrobacterium tumefaciens
, batteri gram negativi con la particolare capacità di infettare le piante trasferendo un "Ti-plasmid", plasmide che va ad integrarsi nel genoma della cellula inducendo una crescita incontrollata.

Bioingegnerizzando questi batteri viene modificato il plasmide di T-DNA, inserendo in esso l'operone
Lux
.
Mettendo a contatto batteri e pianta è
possibile indurre facilmente il trasferimento
di materiale genetico.
Luminol
istidina
Le piante illumineranno la terra?
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