Πολύχρωμη βιοφωταύγεια:Εξερεύνηση της επίδρασης του ATP στην αντίδραση λουσιφεράσης της Firefly
Κάθε άνοιξη, το δάσος κοντά στο Χουαλιέν (Ταϊβάν) αστράφτει με μια μυριάδα φώτα που τρεμοπαίζουν. Οι περίεργοι επισκέπτες κοιτάζουν με διασκέδαση αυτές τις κινούμενες φωτεινές κουκκίδες. Το φως παράγεται σε μια βιοφωταυγή χημική αντίδραση που συμβαίνει στα σώματα ορισμένων ειδών εντόμων και καταλύεται από ένα ένζυμο που ονομάζεται λουσιφεράση.
Για δεκαετίες τώρα, τα συστατικά αυτής της αντίδρασης έχουν απομονωθεί και χρησιμοποιούνται από τους επιστήμονες στα εργαστήριά τους. Η αντίδραση καταναλώνει ενεργητικά μόρια - τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Ένα ένζυμο που ονομάζεται λουσιφεράση χρησιμοποιεί το ATP για να παράγει μια ασταθή ενδιάμεση - διεγερμένη κατάσταση οξυλουσιφερίνη. Το τελευταίο αποσυντίθεται γρήγορα εκπέμποντας φωτόνια ορατού φωτός.
Μία από τις πιο ευρέως μελετημένες λουσιφεράσες είναι αυτή που απομονώθηκε από πυγολαμπίδα (Photinus pyralis ). Έχει αποδειχθεί σε πολλές μελέτες ότι διάφοροι παράγοντες (όπως το pH, τα βαρέα μέταλλα, οι διαμορφωτικές αλλαγές στο ένζυμο ή η αντικατάσταση ορισμένων αμινοξέων στο ένζυμο) επηρεάζουν το χρώμα (ή το φάσμα) του φωτός που παράγεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης λουσιφεράσης της πυγολαμπίδας . Διάφορες ερευνητικές ομάδες έχουν διατυπώσει υποθέσεις σχετικά με τις αιτίες της πολύχρωμης εκπομπής φωτός από τη λουσιφεράση της πυγολαμπίδας. Ωστόσο, δεν έχουν καταλήξει ακόμη σε συναίνεση σχετικά με τον καθολικό μηχανισμό που ελέγχει το χρώμα του φωτός που εκπέμπεται από τη λουσιφεράση της πυγολαμπίδας.
Μια πρόσφατη μελέτη δείχνει ότι το ίδιο το ATP μπορεί να επηρεάσει το χρώμα του φωτός που παράγεται στην αντίδραση της λουσιφεράσης της πυγολαμπίδας. Σε ένα πείραμα, οι ερευνητές αύξησαν τη συγκέντρωση του ATP με συνεχή πιπέταση του ATP. Το μίγμα της αντίδρασης αρχικά εξέπεμπε πράσινο φως. Στη συνέχεια, το χρώμα του φωτός άλλαξε σε κόκκινο. Σε ένα άλλο πείραμα, συνδύασαν τη λουσιφεράση με άλλα ένζυμα που είναι ικανά να συνθέτουν γρήγορα ATP. Η προκύπτουσα ράμπα ATP πυροδότησε μια σταδιακή αλλαγή του χρώματος του φωτός από πράσινο σε κόκκινο.
Εκτός από τη γνωστική αξία αυτού του είδους της έρευνας, η κατανόηση της εκπομπής πολύχρωμου φωτός από το ένζυμο λουσιφεράση έχει πρακτικές επιπτώσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή οι επιστήμονες που εργάζονται σε διάφορους τομείς (βιοχημεία, χημεία και μοριακή βιολογία) εκμεταλλεύονται τη λουσιφεράση ως μόριο αναφοράς. για παράδειγμα, για τη μέτρηση της συγκέντρωσης ATP, για την εύρεση ιχνών βακτηριακής μόλυνσης σε δείγματα τροφίμων και περιβάλλοντος, για μελέτη της αποτελεσματικότητας φαρμάκων ή για επαλήθευση της έκφρασης ορισμένων γονιδίων που μας ενδιαφέρουν. Μια απροσδόκητη αλλαγή του χρώματος του εκπεμπόμενου φωτός (εμφάνιση ή εξαφάνιση ορισμένων φασματικών ζωνών) θα μπορούσε να προκαταλάβει τα αποκτηθέντα δεδομένα και πιθανώς να οδηγήσει σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στο πλαίσιο των διακυμάνσεων του ATP στο εσωτερικό των κυττάρων, οι οποίες ενδέχεται να επηρεάσουν τους ενδοκυτταρικούς ανταποκριτές της λουσιφεράσης.
Από τη θετική πλευρά, πολλές από αυτές τις αναλύσεις πραγματοποιούνται σε χαμηλές συγκεντρώσεις ΑΤΡ, για τις οποίες δεν παρατηρήθηκε σημαντική αλλαγή χρώματος. Κατά την ανάλυση δειγμάτων με υψηλές συγκεντρώσεις ATP, θα μπορούσε κανείς να εκμεταλλευτεί την αλλαγή χρώματος εκτός από τη φωτεινότητα του εκπεμπόμενου φωτός για να παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα του ATP. Ο συντονισμός του χρώματος της βιοφωταύγειας μπορεί επίσης να βρει εφαρμογή σε βιομηχανικά συστήματα, στα οποία μια χημική διαδικασία πρέπει να συνδυαστεί με συγκεκριμένη απόκριση (εδώ, θα ήταν η εκπομπή φωτός διαφορετικών χρωμάτων). Ωστόσο, αυτές οι πιθανές εφαρμογές πρέπει να διερευνηθούν. Καθώς ο μηχανισμός της αλλαγής του χρώματος του φωτός λόγω της αύξησης του ATP είναι ακόμα αδιευκρίνιστος, οι ερευνητές σχεδιάζουν επίσης να διεξαγάγουν περαιτέρω εργασίες για να τον ρίξουν φως.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Spontaneous luminescence color change in the firefly luciferase assay system, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Analytical Biochemistry . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Pawel Urban από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Tsing Hua και τον Pei-Han Liu από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Chiao Tung.
