La bioluminiscencia y su aplicación en la ciencia

Andrés Ramírez-Ponce y Viridiana Vega-Badillo

La bioluminiscencia está presente en una gran diversidad de organismos, desde bacterias hasta peces, quienes ocupan la luz de sus cuerpos para comunicarse, protegerse, buscar alimento o aparearse. El estudio de la naturaleza química de la bioluminiscencia ha tenido grandes avances en las ciencias médicas.  

Palabras clave: luminiscencia, comunicación, medicina.

La bioluminiscencia es la capacidad de los organismos a emitir luz visible a través de una variedad de sistemas de reacciones quimioluminiscentes, que en general requieren de una enzima activa llamada luciferasa y de un sustrato denominado luciferina que permite la reacción visual del fenómeno. Este fenómeno puede presentarse en organismos aislados o de manera coordinada formando espectáculos de gran belleza, como la bioluminiscencia del fitoplancton que produce el rompimiento de las olas (Fig. 1).

Es un sistema de comunicación muy eficiente, pues casi no produce calor, y está ampliamente distribuido en la naturaleza, en grupos tan diversos como bacterias, dinoflagelados, algas, hongos y animales como insectos, gusanos, medusas, estrellas de mar, crustáceos, moluscos y peces, aunque es mucho más usado por organismos marinos. En organismos terrestres está presente en 5 phyla, incluidos los insectos donde hay numerosos ejemplos. Sin embargo, en el medio marino este fenómeno lo han desarrollado al menos 14 phyla con muchísimas especies, que habitan desde ambientes someros hasta en las profundidades del océano, donde es mucho más común. Se estima que, entre los 200 y 1200 m de profundidad, donde escasea la luz y las condiciones no son tan extremas por la presión oceánica, cerca del 90% de los peces, calamares y camarones son bioluminiscentes, mientras que menos del 10% de las especies de aguas superficiales y menos del 25% de aquellas que habitan en las profundidades abisales son bioluminiscentes. 

Es importante considerar que en la generación de esta luminosidad participan diversas enzimas y sustratos, además de que están involucrados múltiples aspectos fisiológicos y funcionales en muy diferentes grupos biológicos, lo que demuestra que su origen evolutivo ha sido independiente y con diferentes propósitos, por ejemplo, para atraer presas, como camuflaje, para asistir la visión como una lámpara, para comunicarse, en el apareamiento para atraer parejas y como una relación simbionte en bacterias marinas. 

Existen especies que pueden controlar a voluntad la intensidad de la luz emitida e incluso neutralizarla mediante estructuras conectadas a su sistema nervioso. De acuerdo con su cinética, la luminiscencia se puede dividir en reacciones de "Flash" y "Glow". La luminiscencia "Flash" emite una señal muy brillante durante un período de tiempo muy corto, por lo general, segundos, por ejemplo, algunos dinoflagelados pueden responder respectivamente a la excitación en un periodo corto. La luminiscencia "Glow" por su parte puede durar varios minutos, pero generalmente emite una señal menos intensa, por ejemplo, el pez linterna que cuenta con un órgano bioluminiscente situado debajo del ojo que les permite emitir luz a través de unas bacterias simbiontes en la piel.

Dentro de la bioluminiscencia se pueden reconocer tres tipos: (i) bioluminiscencia intracelular, generada por células especializadas del propio cuerpo cuya luz se emite al exterior a través de la piel, propia de muchas especies de luciérnagas (Fig. 2) y dinoflagelados; (ii) bioluminiscencia extracelular, que se almacenan en glándulas especializadas y son expulsadas para mezclarse en el exterior, produciendo nubes luminosas, común en crustáceos y algunos cefalópodos abisales. El gusano Swima bombiviridis (Fig. 3), que vive en las profundidades marinas, tiene la extraordinaria capacidad de soltar bombas luminiscentes a partir de sacos modificados en sus branquias que cuándo se desprenden se activa un intenso estallido para confundir a sus depredadores; (iii) simbiosis con bacterias luminiscentes que se lleva a cabo en diversos lugares del cuerpo de algunos animales que disponen de pequeñas vejigas, comúnmente llamadas fotóforos, donde almacenan bacterias luminiscentes, y que están conectados al sistema nervioso, lo que permite al animal controlar la emisión lumínica a voluntad. Este fenómeno se conoce sólo en animales marinos tales como gusanos, moluscos, equinodermos y peces.  La relación entre la bacteria Vibrio fischeri y el calamar Euprymna scolopes, es un buen ejemplo de simbiosis que podemos encontrar en el reino animal. 

Existen múltiples aplicaciones de la bioluminiscencia en la ciencia, siendo los más usados, los que se producen por una especie de luciérnaga y la de bacterias. Hace algunos años, tres científicos norteamericanos recibieron el premio Nobel de química por desarrollar una proteína fluorescente que hace que los animales no bioluminiscentes puedan producir su propia luz. Ahora se usa esta técnica para “marcar” proteínas y células en el estudio del Alzheimer y otros padecimientos neurológicos, detección de coágulos, rastrear la propagación de enfermedades y para combatir el cáncer, haciendo brillar a las células cancerosas para poder destruirlas. 

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Referencias

• Herring, P. J., & Widder, E. A.2001. Bioluminescence. In: Steele, J. H. (ed). Encyclopedia of Ocean Sciences. Academic Press. Pp. 308-317. https://doi.org/10.1006/rwos.2001.0200.

• Osborn, K. J., Haddock, S. H., Pleijel, F., Madin, L. P., & Rouse, G. W. 2009. Deep-sea, swimming worms with luminescent “bombs”. Science, 325(5943), 964-964. DOI: 10.1126/science.1172488

• Woodland, H. 2012. Bioluminescence. In: Sperelakis, N. (ed). Cell Physiology Source Book (Fourth Edition). Academic Press. Pp. 925-947. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-387738-3.00052-4.

• NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. Fri. 3 Mar 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2008/press-release/

Slider: Bioluminiscencia de fitoplancton producida por el rompimiento de olas en playas de California (fuente: https://abc7.com/bioluminescence-waves-bioluminescent-california-what-causes/10433422/).