Bioluminescente organismen zijn in de loop van de levensgeschiedenis tientallen keren geëvolueerd. Welke biochemie is nodig om de duisternis te verlichten? Hieraan zijn verschillende onderzoeken gewijd. Duik diep genoeg in de diepten van de oceaan, en je zult geen duisternis zien, maar licht. 90% van de vissen en het zeeleven die gedijen op een diepte van 100 of zelfs 1000 meter, kunnen hun eigen licht produceren. Zaklampvissen jagen en communiceren met behulp van een soort morsecode die wordt verzonden door lichtzakken onder de ogen. Vissen van de familie Platytroctidae schieten gloeiende inkt op hun aanvallers. Bijlvissen maken zichzelf onzichtbaar door licht in hun buik uit te zenden om neerdalend zonlicht te simuleren; roofdieren kijken ernaar en zien alleen een continue gloed.
Wetenschappers hebben duizenden bioluminescente organismen in de boom des levens geïndexeerd en verwachten er nog meer toe te voegen. Ze hebben zich echter lang afgevraagd hoe bioluminescentie is ontstaan. Zoals recent gepubliceerde studies aantonen, hebben wetenschappers aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de oorsprong van bioluminescentie - zowel evolutionair als chemisch. Door nieuwe inzichten kan bioluminescentie ooit worden gebruikt in biologisch en medisch onderzoek.
Een van de langlopende uitdagingen is om te bepalen hoe vaak een enkele bioluminescentie is opgetreden. Hoeveel soorten kwamen onafhankelijk van elkaar naar haar toe?
Hoewel enkele van de bekendste voorbeelden van licht in levende organismen terrestrische zijn - denk bijvoorbeeld aan vuurvliegjes - vonden de meeste evolutionaire gebeurtenissen in verband met bioluminescentie plaats in de oceaan. Bioluminescentie is vrijwel en schijnbaar afwezig in alle gewervelde landdieren en bloeiende planten.
In de diepten van de oceaan geeft licht organismen een unieke manier om prooien aan te trekken, te communiceren en zichzelf te verdedigen, zegt Matthew Davis, een bioloog aan de Saint Cloud State University in Minnesota. In een in juni gepubliceerde studie ontdekten hij en zijn collega's dat vooral vissen die licht gebruiken om te communiceren en verkering te signaleren, veel voorkomen. Over een periode van ongeveer 150 miljoen jaar - niet lang naar evolutionaire maatstaven - hebben dergelijke vissen zich in meer soorten verspreid dan andere vissen. Bioluminescente soorten, die hun licht uitsluitend voor camouflage gebruikten, waren daarentegen niet zo divers.
Huwelijkssignalen kunnen relatief eenvoudig worden gewijzigd. Deze veranderingen kunnen op hun beurt subgroepen in de populatie creëren, die uiteindelijk opsplitsen in unieke soorten. In juni publiceerden Todd Oakley, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, en een van zijn studenten, Emily Ellis, een studie waaruit bleek dat organismen die bioluminescentie als paringssignalen gebruikten, veel meer soorten hadden en een snellere soortaccumulatie dan hun naaste familieleden die geen licht gebruiken. Oakley en Ellis bestudeerden tien groepen organismen, waaronder vuurvliegjes, octopussen, haaien en kleine geleedpotigen, ostracoden.
Het onderzoek van Davis en zijn collega's was beperkt tot vissen met een straalvin, die ongeveer 95% van de vissoorten uitmaken. Davis berekende dat zelfs in deze ene groep bioluminescentie zich minstens 27 keer ontwikkelde. Stephen Haddock, een zeebioloog aan het Monterey Bay Aquarium Research Institute en een expert op het gebied van bioluminescentie, schatte dat bioluminescentie onafhankelijk van alle levensvormen minstens 50 keer voorkwam.
Promotie video:
Veel manieren om te ontsteken
In bijna alle lichtgevende organismen heeft bioluminescentie drie ingrediënten nodig: zuurstof, het lichtgevende pigment luciferine (van het Latijnse woord lucifer, dat 'licht dragen' betekent) en het luciferase-enzym. Wanneer luciferine interageert met zuurstof - via luciferase - vormt het een aangeslagen, onstabiele component die de set afgeeft en terugkeert naar een toestand met een lagere energie.
Vreemd genoeg zijn er veel minder luciferinen dan luciferase. Hoewel soorten de neiging hebben om een unieke luciferase te hebben, hebben zeer veel soorten dezelfde luciferine. Slechts vier luciferinen zijn verantwoordelijk voor het produceren van het meeste licht in de oceaan. Van de bijna 20 groepen bioluminescente organismen in de wereld, stralen er negen licht uit van luciferine, coelenterazine genaamd.
Het zou echter een vergissing zijn om te geloven dat alle coelenterazine-bevattende organismen afstammen van één lichtgevende voorouder. Als dat het geval was, waarom zouden ze dan zo'n breed spectrum van luciferase ontwikkelen, vraagt Warren Francis, een bioloog aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München. Vermoedelijk zou het eerste paar luciferine-luciferase moeten hebben overleefd en vermenigvuldigd.
Het is ook waarschijnlijk dat veel van deze soorten zelf geen coelenterazine produceren. In plaats daarvan halen ze het uit hun dieet, zegt Yuichi Oba, hoogleraar biologie aan de Chubu University in Japan.
In 2009 ontdekte een team onder leiding van Oba dat een diepzeeschaaldier (roeipootkreeftjes) - een kleine, wijdverspreide schaaldier - zijn coelenterazine maakte. Deze schaaldieren zijn een buitengewoon overvloedige voedselbron voor een breed scala aan zeedieren - zo overvloedig dat ze in Japan "rijst in de oceaan" worden genoemd. Hij denkt dat deze schaaldieren de sleutel zijn om te begrijpen waarom zoveel mariene organismen bioluminescerend zijn.
Zowel zijn collega's als zijn collega's namen aminozuren, waarvan wordt aangenomen dat ze de bouwstenen zijn van coelenterazine, labelden ze met een moleculaire marker en laadden ze in voedsel voor roeipootkreeftjes. Vervolgens voerden ze dit voedsel in het laboratorium aan schaaldieren.
Na 24 uur haalden de wetenschappers het coelenterazine uit de schaaldieren en keken naar de markers die waren toegevoegd. Het was duidelijk dat ze overal waren - wat het ultieme bewijs was dat schaaldieren luciferinemoleculen uit aminozuren synthetiseerden.
Zelfs de kwallen die coelenterazine voor het eerst ontdekten (en waarnaar ze vernoemd zijn) produceren zelf geen coelenterazine. Ze krijgen hun luciferine door schaaldieren en andere kleine kreeftachtigen te eten.
Mysterieuze oorsprong
Wetenschappers hebben nog een andere aanwijzing gevonden die de populariteit van coelenterazine onder diepzeedieren zou kunnen helpen verklaren: dit molecuul wordt ook aangetroffen in organismen die geen licht uitstralen. Dit vond Jean-François Ries, bioloog aan de Katholieke Universiteit Leuven in België, vreemd. Het is verrassend dat "zoveel dieren afhankelijk zijn van hetzelfde molecuul om licht te produceren", zegt hij. Misschien heeft coelenterazine naast luminescentie nog andere functies?
In experimenten met levercellen van ratten toonde Reese aan dat coelenterazine een krachtige antioxidant is. Zijn hypothese: Coelenterazine heeft zich mogelijk voor het eerst verspreid onder mariene organismen die in oppervlaktewateren leven. Daar zou de antioxidant de nodige bescherming kunnen bieden tegen de oxidatieve effecten van schadelijk zonlicht.
Toen deze organismen diepere oceaanwateren begonnen te koloniseren, waar de behoefte aan antioxidanten lager is, kwam het vermogen van coelenterazine om licht uit te stralen goed van pas, stelde Reese voor. In de loop van de tijd hebben organismen verschillende strategieën ontwikkeld - zoals luciferase en gespecialiseerde lichtorganen - om deze kwaliteit te verbeteren.
Wetenschappers zijn er echter niet achter hoe andere organismen, niet alleen de Oba-roeipootkreeftjes, coelenterazine maken. De genen die coderen voor coelenterazine zijn ook volkomen onbekend.
Neem bijvoorbeeld kamgelei. Van deze oeroude zeedieren - door sommigen beschouwd als de eerste tak van de dierenboom - wordt er al lang van verdacht coelenterazine te produceren. Maar niemand heeft dit kunnen bevestigen, laat staan specifieke genetische instructies op het werk kunnen identificeren.
Vorig jaar werd echter gemeld dat een groep onderzoekers onder leiding van Francis en Haddock een gen tegenkwam dat mogelijk betrokken is bij de synthese van luciferine. Om dit te doen, bestudeerden ze de transcriptomen van ctenophores, die momentopnames zijn van de genen die een dier op een bepaald moment tot expressie brengt. Ze zochten naar genen die gecodeerd waren voor een groep van drie aminozuren - dezelfde aminozuren die Oba aan zijn roeipootkreeftjes voedde.
Onder 22 soorten bioluminescente ctenoforen hebben wetenschappers een groep genen gevonden die aan hun criteria voldoen. Deze zelfde genen waren afwezig in twee andere niet-luminescente ctenofoor soorten.
Nieuwe wereld
Het genetische mechanisme van bioluminescentie heeft toepassingen buiten de evolutionaire biologie. Als wetenschappers de genen voor luciferine- en luciferase-paren kunnen isoleren, kunnen ze om de een of andere reden mogelijk organismen en cellen laten gloeien.
In 1986 hebben wetenschappers van de Universiteit van Californië in San Diego het vuurvliegluciferasegen aangepast en in tabaksplanten verwerkt. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Science, waarin een van deze planten griezelig gloeit tegen een donkere achtergrond.
Deze plant produceert zelf geen licht - het bevat luciferase. Maar om deze tabak te laten gloeien, moet deze worden bewaterd met een oplossing die luciferine bevat.
Dertig jaar later zijn wetenschappers er nog steeds niet in geslaagd om met behulp van genetische manipulatie zelflichtende organismen te creëren, omdat ze de biosynthetische routes voor de meeste luciferinen niet kennen. (De enige uitzondering werd gevonden bij bacteriën: wetenschappers waren in staat om de gloei-genen te identificeren die coderen voor het bacteriële luciferine-luciferasesysteem, maar deze genen moeten worden aangepast om bruikbaar te zijn voor elk niet-bacterieel organisme.)
Een van de grootste mogelijke toepassingen van luciferine en luciferase in celbiologie is om ze als bolletjes in cellen en weefsels op te nemen. Dit soort technologie zou nuttig zijn voor het volgen van cellocatie, genexpressie, eiwitproductie, zegt Jennifer Prescher, hoogleraar scheikunde aan de University of California in Irvine.
Het gebruik van bioluminescentiemoleculen zal net zo nuttig zijn als het gebruik van een fluorescerend eiwit, dat al wordt gebruikt om de ontwikkeling van hiv-infecties te volgen, tumoren in beeld te brengen en zenuwbeschadiging bij de ziekte van Alzheimer op te sporen.
Momenteel moeten wetenschappers die luciferine gebruiken voor beeldvormende experimenten er een synthetische versie van maken, of het kopen voor $ 50 per milligram. Luciferine van buitenaf in de cel introduceren is ook moeilijk - het zou geen probleem zijn als de cel zijn eigen luciferine zou kunnen maken.
Onderzoek gaat door en definieert geleidelijk evolutionaire en chemische processen over hoe organismen licht produceren. Maar het grootste deel van de bioluminescente wereld tast nog steeds in het duister.
Ilya Khel