Bioluminescenza e Biotecnologia: 

quando la natura illumina la ricerca scientifica – Parte 1

Immaginate di fare una rinfrescante nuotata notturna nelle calde acque blu di Vieques, nell'esotica Porto Rico. Vi tuffate nella risacca e vi dirigete verso le acque più profonde della baia, quando davanti ai vostri occhi meravigliati l'acqua d'un tratto non appare più nera come la notte, ma attraversata da strisce di luce blu intenso. Niente panico, non sono allucinazioni! Si tratta di un ammasso di dinoflagellate, alghe bioluminescenti appartenenti alla famiglia dei fitoplancton, che emettono il loro bagliore quando sono disturbate dal movimento. Queste dinoflagellate vivono nelle acque di tutto il mondo, ma generalmente non sono presenti in numero sufficiente da essere notate. Ci sono solo cinque ecosistemi al mondo in cui è possibile vedere queste speciali baie bioluminescenti e ben tre di loro si trovano a Porto Rico.

In questo primo articolo blog dedicato alla bioluminescenza e alla biochimica, approfondiremo l'affascinante fenomeno della bioluminescenza. Da cosa è dovuta? A cosa serve e quali animali ne fanno utilizzo?

Non dovete però per forza attraversare mezzo mondo e recarvi a Porto Rico per osservare questo incredibile fenomeno chiamato bioluminescenza. Il mondo è infatti pieno di organismi bioluminescenti; funghi bioluminescenti, creature marine bioluminescenti sia grandi che piccole (calamari, meduse e gamberetti, oltre alle dinoflagellate), insetti bioluminescenti e altro ancora. La bioluminescenza è semplicemente la capacità degli esseri viventi di produrre luce sfruttando la chimica.

Un processo che, in realtà, non è semplice per nulla, ma complesso e affascinante. Prendiamo ad esempio le lucciole: possono creare schemi di luce unici grazie ad una sostanza chimica chiamata luciferina, che viene a sua volta processata da un enzima chiamato luciferasi e trasformata in luce. Si tratta di composti naturali che gli organismi bioluminescenti producono all'interno delle proprie cellule. Affascinante, no?

La reazione chimica della luciferasi coinvolge anche altri componenti, come gli ioni di magnesio e l'ATP (le riserve di energia all'interno delle cellule), presenti nell'ambiente cellulare. La bioluminescenza è molto efficiente dal punto di vista energetico; pochissima energia prodotta durante questa fenomeno viene dispersa come calore, evitando che le cellule protagoniste di questa reazione brucino. Tra poco vedremo altri motivi per cui gli organismi si avvalgono della bioluminescenza.

In che modo la luciferasi genera bioluminescenza?

La luciferasi è un enzima, una proteina che funge da catalizzatore di reazioni chimiche che consentono alla luciferina, all'ATP e ad altri ioni cellulari di essere convertiti in luce. La reazione chimica stessa prevede due fasi: in presenza di luciferasi, luciferina + ATP producono luciferil adenilato + ADP. Successivamente, il luciferil adenilato + ossigeno viene trasformato in ossiluciferina + AMP e, naturalmente, luce.

Perché gli organismi usano la bioluminescenza?

Si ritiene che la creazione di luce negli organismi viventi apporti benefici a ciascuna specie per motivi diversi. Le stime attuali indicano che circa 1.500 specie diverse possono produrre luce usando la bioluminescenza e ogni giorno se ne scoprono altre. Ecco alcuni modi interessanti in cui alcune specie usano la bioluminescenza:

• I calamari, che vivono nelle profondità dell'oceano, usano la bioluminescenza per vedere meglio. Hanno fotofori lungo il loro corpo in grado di produrre una luce blu profonda, che in combinazione con gli occhi altamente sviluppati gli consentono di trovare più facilmente la preda.


• Furba e subdola, la rana pescatrice ha una relazione simbiotica con i batteri bioluminescenti, grazie ai quali si procura il cibo. Anche lei vive nelle profondità dell'oceano, in acque impenetrabili dalla luce. Come suggerisce il nome, questa specie pesca il suo pasto facendo penzolare una "lampadina" luminosa davanti alla bocca dai denti aguzzi. Questa lampadina è piena di batteri bioluminescenti la cui luce attira altra vita marina, che la rana pescatrice è pronta a catturare.

• Le lucciole usano invece la bioluminescenza per comunicare. Diversi tipi di lucciole comunicano tra loro utilizzando un linguaggio fatto di scariche luminose, usate anche per avere maggiore successo nell'accoppiamento. La ricerca ha dimostrato come in alcune specie, le femmine preferiscano i maschi in grado di emettere segnali più luminosi e più lunghi. Bene, ma allora perché i maschi non si sono evoluti per essere super-luminosi? Perché ci sono alcune femmine che imitano i segnali di altre specie in modo da attrarre i maschi e, invece di accoppiarsi con loro, ucciderli e mangiarli! Lampeggiare forte quindi, ma a proprio rischio e pericolo!


• In che modo un fungo potrebbe beneficiare della bioluminescenza? Un fungo luminoso è sicuramente uno spettacolo da vedere. Mentre il cappello di diversi funghi brilla per attirare gli animali, che poi diffondono le spore dei funghi stessi consentendone la fioritura, altri hanno un micelio luminoso (l'intricato apparato radicale che i funghi usano per nutrirsi, crescere e comunicare). Gli scienziati pensano che il micelio dei funghi possa brillare per il motivo opposto rispetto al cappello: dissuadere gli animali dal disturbarli.


• Il krill, descritto dal National Geographic come "il carburante che scorre nei nostri oceani", è in grado di emettere una forte luce bluastra. Queste minuscole creature simili a gamberetti sono la base della catena alimentare di moltissimi organismi marini e sono la principale fonte di cibo per le balene, in grado di mangiare fino a quattro tonnellate di questi minuscoli crostacei al giorno! Il krill, come le dinoflagellate, si illumina solo se disturbato. Vivono in banchi giganteschi e gli scienziati ipotizzano che utilizzino la bioluminescenza come una sorta di allarme quando i predatori sono vicini.

In conclusione, questo affascinante fenomeno chiamato bioluminescenza rappresenta un vero e proprio gioiello della natura, di cui molte specie si avvalgono per i motivi più disparati.

Ma come questo fenomeno più essere sfruttato anche dalla ricerca scientifica? Lo scopriremo nel prossimo articolo blog sulla bioluminescenza e la biochimica, in uscita il 18 febbraio.

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