Świecące bakterie

Prof. dr hab. Grzegorz WęgrzynKatedra Biologii Molekularnej Uniwersytet Gdański

Bioluminescencja to reakcja chemiczna, którejefektem jest produkcja i emisja kwantu światła przez

organizmy żywe

do wyprodukowania kwantu światła potrzebne są dwa związki chemiczne:

lucyferyna i lucyferaza

do zajścia kolejnej rundy reakcji konieczna jest nowa porcja substratu

czasami lucyferyna i lucyferaza wraz z kofaktorami tworzą razem jeden kompleks białkowy zwany fotoproteiną

za http://www.rudimentsofwisdom.com

Światło emitowane przez organizmy morskie jest koloru niebiesko-zielonego

światło o długości fali 470nm najlepiej penetruje toń wodną

większość organizmów morskich jest wrażliwych tylko na światło niebieskie

wyjątek: ryby głębinowe z rodziny Malacosteidae (Malacosteus, Aristostomias, Pachystomias) potrafią emitować oprócz światła zielonego światło czerwone (625nm)

za http://www.lifesci.ucsb.edu/

za http://www.schools.net.au/

za http://www.hboi.edu/marinesci/biolum.html

Emisja światła

większość organizmów morskich emituje krótkie błyski światła

u organizmów wielokomórkowych luminescencja podlega kontroli sympatycznego systemu nerwowego

niektóre bruzdnice mogą emitować serie błysków światła

emisja światła w sposób ciągły obserwowana jest u ryb i głowonogów, których organy świetlne zasiedlone są przez luminescencyjne bakterie

za http://www.mbari.org/, http://www.rain.org/

Organizmy morskie emitujące światło

bakterie

bruzdnice

zooplankton

parzydełkowce

mięczaki

skorupiaki

jeżowce

ryby

za http://www.glowexhibit.com/, http://www.mcb.harvard.edu/, http://www.elenas-vieques.com

Bakterie emitujące światło bakterie

morskie należą do rodzajów Vibrio oraz Photobacterium.

większość z nich to organizmy symbiotyczne

luminescencja regulowana jest na zasadzie regulacji zmysłu gęstościowego

Symbioza między bakteriami luminescencyjnymi a organizmami wyższymi

Vibrio fischeri

ryby z rodziny Monocentridae oraz głowonogi z rodziny Sepiolidae

Photobacterium leionghati

głowonogi z rodziny Loliginidae oraz ryby z rodziny

Leiognathidae

Photobacterium phosphoreum

ryby z rodziny Lophiiformidae oraz Anomalopidae

Microbiology Today2002 nr 29

za http://www.cephbase.dal.ca/

Bruzdnice

Gonyaulax sp.

sygnałem do emisji krótkich błysków światła może być stymulacja mechaniczna, sygnałem do produkcji ciągłej światła – stymulacja chemiczna lub termiczna

korelacja emisji światła z cyklem dobowym

emisja światła w odpowiedzi na bodźce mechaniczne to alarm antywłamaniowy

za http://www.lifesci.ucsb.edu, http://www.bion.si/, http://www.elenas-vieques.com, http://www.hwi.buffalo.edu/

Promienice (radiolarie)

pierwotniaki

emisja światła w odpowiedzi na uszkodzenie kolonii

fotoproteina radiolarii aktywowana jest jonami wapnia

syntetyzowany na wzór ,,biofilmu” tworzonego przez komórki radiolarii sztuczny luminescencyjny silikon uważany jest za materiał mogący przyczynić się do rozwoju nanotechnologii

za http://biomaritime.free.fr/

syntetyczne diatomy i ,,żywe” radiolarie

Parzydełkowce

Ctenophora

Scyphozoa (meduzy np. Eurhamphea vexiligera Pelagia nocticula)

Hydrozoa (hydromeduzy np. Aequoria victoria)

Anthozoa (koralowce np. Ptilosarcus gurneyi)

za www.bertholdtech.com, http://www.plantsci.cam.ac.uk/, www.bio.davidson.edu , www.ucmp.berkeley.edu , www.jervisbay.com

Aequoria victoria i białko GFP

aekworyna to kompleks

białkowy złożony z apoproteiny, tlenu

cząsteczkowego i kolentrazyny

kwant światła wzbudza białko

GFP, które emituje światło o

długości 508nm odpowiadające barwie zielonej

za http://www.plantsci.cam.ac.uk, http://ag.arizona.edu/, http://www.biochemtech.uni-halle.de/

Zastosowanie białka GFP z hydromeduzy

fuzje białkowe GFP z

białkami wchodzącymi w

skład membran aparatu

Golgiego roślin

komórki nabłonka ludzkiego

– mikrotubule (zielone),

DNA (niebieski)

lokalizacja guzów

nowotworowych

Prolume – ,,świecące” jedzenie

,,świecące” zwierzęta

© Prolume Ltd

Photo: Chrystelle Fontaine

za http://www.biologie.uni-hamburg.dehttp, http //www.cquest.utoronto.ca

za http://www.lightools.com oraz AntiCancer Inc

Modyfikacje GFP

stosowane systemy detekcji umożliwiają wykrycie około 1 mM białka GFP

zmodyfikowane GFP – EGFP, YGFP, CGFP oraz BGFP

EGFP u transgenicznych myszy

fluoryzujące na żółto i fioletowo kolonie E. coli

komórki linii HeLa (fuzja białka EYFP z białkiem jądrowym oraz ECFP z białkiem

mitochondrialnym)

Renilla

Renilla reniformis i Renilla mulleri

kolonia zbudowana z szeregu polipów

emisja światła zachodzi w odpowiedzi na uszkodzenie kolonii

emitowane światło ma barwę zieloną, co jest efektem emisji kwantu światła przez uprzednio wzbudzone białko GFP

za http://www.whitney.ufl.edu/

za http://bmbiris.bmb.uga.edu/ oraz JE Wampler, 1997

Zastosowanie białka GFP z Renilla

badanie procesów dimeryzacji białek

monitorowanie poziomu ekspresji genów oraz monitorowanie lokalizacji białek

za pubs.acs.org/, www.nature.com, www.stratagene.com, http://www.biocompare.com

Mięczaki

za www.imagequest3d.com, http://www.elenas-vieques.com, http://www.tonmo.com, http://tolweb.org, http://www.dal.ca/~ceph/

ośmiornice oraz kałamarnice

luminescencja jest rzadko spotykana u mięczaków należących do innych rzędów

emisja światła: fotofory świecący tusz symbiotyczne bakterie

Ryby

luminescencja może być wynikiem produkcji światła przez ryby lub efektem świecenia symbiotycznych bakterii

u angler oraz flashlightfish

(rodzina Anomapalidae) fotofory nie mają połączenia z przewodem pokarmowym

większość ryb (dragonfish, lanternfish, hatchetfish) posiada własne systemy lucyferyna -lucyferaza

za http://ramseydoran.com, http://www.uog.edu, http://www.mbayaq.org, http://departments.oxy.edu/

Porichthys sp.

rodzaj Porichthys wymaga

odpowiedniej diety (Vargula

hilgendorfii), aby emitować

światło

za http://departments.oxy.edu/, http://www.afrlhorizons.com/, http://umiho.net

Rola luminescencji

odstraszanie napastników

Rola luminescencji

mylenie napastników

Rola luminescencji

zwabianie ofiar

Rola luminescencji

zwabianie ofiar

Rola luminescencji

kamuflaż

Rola luminescencji

komunikacja

Rola luminescencji

Dlaczego bakterie świecą?

DO NIEDAWNA:

?

Rola luminescencji

Powstanie i wczesna ewolucja luminescencji jest problematycznym punktem w teorii Karola Darwina

Jeśli założyć, że znaczenie biologiczne luminescencja ma tylko wtedy, gdy emitowane światło może być widziane przez inne organizmy, to trudno jest sobie wyobrazić powstanie i wczesną ewolucję systemów bioluminescencji

DOBÓR NATURALNY

Kolejne pokolenia Kolejne pokolenia

EWOLUCJA SYSTEMÓW BIOLUMINESCENCJI

Kolejne pokolenia Kolejne pokolenia

Kolejne pokolenia Kolejne pokolenia

Problem 1: Światło o małej intensywności nie jest widziane przez inne organizmy, zatem nie może być selekcji świecących osobników

Kolejne pokolenia Kolejne pokolenia

Problem 2: Bardzo wydajne systemy luminescencji, zapewniające odbieranie bodźców świetlnych przez inne organizmy, nie mogły powstać nagle, gdyż wymagają one zajścia skomplikowanych reakcji biochemicznych

Jeśli pierwotne systemy luminescencji były mało wydajne, to jaka była pozytywna selekcja osobników emitujących bardziej wydajnie światło, które wciąż było jednak za słabe aby mogło być odbierane przez narządy wzroku?

?

Fotoreaktywacja

naprawa powstałych wskutek naświetlania komórek światłem

UV (o długości fali 190-300 nm) fotodimerów tymidynowych

za http://www.hanovia.net/, http://saturn.roswellpark.org/, http://helios.acomp.usf.edu/, www.liv.ac.uk/

Stymulacja naprawy DNA przez fotoreaktywację jest funkcją bakteryjnej bioluminescencji i mogła być

motorem ewolucji wczesnych systemów luminescencji

Fotoliaza

NAPRAWA DNA

Pojawienie się i wczesna ewolucja luminescencji były możliwe dzięki stymulacji procesu fotoreakywacji

przez niewielkie ilości światła, zbyt małe aby mogły być widziane przez inne organizmy

Kolejne pokolenia Kolejne pokolenia

Rola luminescencji

odstraszanie i mylenie napastników

wabienie ofiar

kamuflaż

komunikacja

naprawa DNA

większość organizmów zdolnych do świecenia to organizmy związane ze środowiskiem morskim

emitowane światło powstaje jako produkt reakcji utlenienia lucyferyny, katalizowanej przez enzym lucyferazę

luminescencja pełni różnorodne funkcje biologiczne