La bioluminiscencia es la emisión de
luz por parte de los seres vivos. Se genera por una reacción química dentro del
organismo (a diferencia de la fosforescencia que tienen algunos artefactos como
mi reloj que brillan en la oscuridad, pero que necesitan cargarse con luz antes
de emitirla). La bioluminiscencia está muy extendida, especialmente
en los océanos: hay bacterias, caracoles marinos, camarones, peces y
calamares que brillan. Entre los organismos terrestres que brillan se
encuentran algunos insectos, gusanos (el espectáculo de los gusanos luminosos de Waitomo fotografiados por Luis Monje es realmente mágico), y hongos.
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| Bóveda de la gruta de Waitomo, Nueva Zelanda, iluminada por gusanos. Foto de Luis Monje. |
La cadena de montaje bioluminiscente
Los principios básicos que intervienen
en la reacción que produce la luz en un puñado de organismos bioluminiscentes son
en general los mismos: se necesita combustible, oxígeno y un catalizador (una
enzima) para que se ponga en marcha.
El combustible es una molécula, la luciferina,
y el catalizador otra, la luciferasa. La enzima luciferasa ayuda a añadir
oxígeno al combustible, transformándolo en un compuesto muy reactivo y de alta
energía. Cuando esta luciferina sobreexcitada se relaja, emite luz.
Esta capacidad de producir luz ha sido
documentada en cientos de géneros a lo largo del árbol de la vida. Los
científicos creen que evolucionó de forma independiente en varios linajes, tal
vez más de 94 veces diferentes en 16 phyla distintos.
Los organismos utilizan la
bioluminiscencia de diversas formas. En el caso de las luciérnagas, es una
señal de atracción que atrae a sus parejas. Algunos peces la utilizan para
atraer a sus presas. Otros animales, como el calamar vampiro, que puede expulsar
una nube de moco brillante, la utilizan para distraer o confundir a los
depredadores.
En muchos linajes, la emisión de luz
puede haber surgido como una estrategia de desintoxicación antioxidante.
Cuando el oxígeno está en estado reactivo, puede dañar las biomoléculas en el
interior de las células. Esto sugiere que, en primer lugar, muchas luciferinas
fueron antioxidantes: su función principal era eliminar el oxígeno dañino que
se había generado durante el metabolismo.
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| Las luciérnagas son quizás los organismos bioluminiscentes más conocidos, pero la capacidad de emitir luz se ha documentado en cientos de géneros a lo largo del árbol de la vida y ha evolucionado varias veces en múltiples linajes. Foto de National Geographic. |
En busca del
resplandor de los hongos
Los hongos
bioluminiscentes han llamado la atención desde hace mucho tiempo.
En el siglo IV antes de nuestra era, Aristóteles observó que los hongos podían
ser “ardientes y brillantes” en la oscuridad. Unos siglos más tarde, Plinio el
Viejo, en su enciclopédica Historia
natural, cita la “luz brillante” emitida por un hongo que crece en los
árboles. Pero hasta hace poco, nadie sabía exactamente qué utilizaban los
hongos como combustible y catalizador, o incluso si todos los hongos luminosos
se iluminaban de la misma manera.
La búsqueda de moléculas de combustible y catalizador culminó en 2017 después de más de un siglo de investigación en el que unos pocos científicos habían intentado desentrañar los misterios de la bioluminiscencia. Los secretos comenzaron a desvelarse a principios del siglo XVIII cuando René Réaumur observó que el polvo seco y molido de organismos bioluminiscentes brillaba al ponerles en contacto con agua.
En la década de 1880, el fisiólogo francés Raphaël Dubois estaba investigando con el escarabajo Pyrophorus noctilocus, uno de los insectos bioluminiscentes más brillantes. Dubois molió las partes brillantes del escarabajo en agua fría. Brillaron y luego se apagaron. Luego hizo lo mismo en agua hirviendo: no brillaron. Pero cuando vertió la molienda caliente en la fría, la mezcla brilló.
Dubois (que más
tarde acuñaría los términos luciferina y luciferasa) se dio cuenta de que la
reacción requería un catalizador y combustible. Solo el agua fría contenía el catalizador
funcional: la ebullición lo destruía. Pero tanto los extractos calientes como
los fríos contenían el combustible, que sobrevivió a la ebullición. Agregar el
extracto caliente al extracto frío proporcionó combustible fresco al extracto
con catalizador funcional, y por eso se generó luz.
Décadas más
tarde, los científicos llevarían a cabo este experimento de calor/frío con
hongos bioluminiscentes, pero sin conseguir desvelar la identidad del
combustible y del catalizador. Material de partida no faltaba: existen unas 130
especies de hongos bioluminiscentes.
Los hongos pasan
la mayor parte de su vida en forma de redes de filamentos similares a hilos
llamados micelios, que en los hongos bioluminiscentes emiten luz,
aunque a menudo está oculta en la madera en descomposición en la que crecen muchos
de ellos. En las especies que producen setas, estas también pueden brillar.
La
bioluminiscencia en hongos fue un secreto que comenzó a desvelarse a comienzos
de este siglo en la Universidad de Sao Paulo gracias al químico Cassius
Stevani, empeñado en investigar cómo los hongos generaban su brillo. Stevani,
junto con su estudiante de posgrado Anderson Oliveira, habían refinado el
experimento de calor/frío de Dubois, agregando varias sustancias químicas
celulares para acelerar la reacción.
Después de
perfeccionar el protocolo, Stevani quería realizar el experimento de calor/frío
utilizando diferentes especies de hongos, una especie para el frío y otra
especie para el calor. Estos experimentos entre especies mostraron que los
diferentes hongos usaban el mismo catalizador y combustible, lo que sugiere que
la bioluminiscencia había evolucionado solo una vez en el linaje de los hongos,
un hallazgo que
publicaron en 2012 junto con el micólogo Dennis Desjardin, de la
Universidad de California en San Diego.
Era un hallazgo muy importante, porque era como decir que si tienes un hongo en Rusia o en
Asia puedes usarlo para estudiar el mecanismo, porque es el mismo en todos los
hongos. Al otro lado del estrecho de Bering, el bioquímico Ilia Yampolsky,
ahora director de Academia Rusa de Ciencias en Moscú, también estaba muy
interesado en la luz emitida por los hongos.
En 2015 Stevani le
escribió a Yampolsky, sugiriendo que colaboraran. Pero los rusos se habían
adelantado: habían encontrado el combustible, aunque su descubrimiento aún no se había
publicado. En el caso de los hongos, la luciferina, el combustible fúngico,
resultó estar hecho de un antioxidante llamado hispidina, que se
encuentra no solo en los hongos, sino también en muchas plantas.
En un ejemplo de
libro de cómo la ciencia no conoce fronteras ni conflictos políticos, estadounidenses,
rusos y brasileños determinaron los detalles de la cadena bioquímica que
conduce a la reacción que emite luz y publicaron los
resultados juntos en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias en 2018.
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| Este hongo que crece en un tronco durante el día es el mismo que emite luz verde en la oscuridad. El hongo bioluminiscente Neonothopanus gardneri es originario del estado de Piauí, en el noreste de Brasil, donde los hongos crecen en la base de las palmeras babasú. Aproximadamente 130 especies de hongos son bioluminiscentes. Foto de Cassius Stevani. |
De los hongos a
las flores
Un descubrimiento
clave fue encontrar la fuente del combustible en los hongos. Está hecho de un
compuesto precursor llamado ácido cafeico, común en hongos y plantas. La cadena
de montaje de los hongos para producir luz forma un bucle secuenciado: el ácido
cafeico se convierte en hispidina, la hispidina se convierte en el combustible,
el combustible emite luz y el compuesto restante se convierte nuevamente en
ácido cafeico, reiniciando el bucle.
Stevani se dio
cuenta de que, si las plantas también producían ese compuesto precursor, prácticamente
cualquier planta podría ser manipulada genéticamente para brillar. Eso estaban
haciendo precisamente los rusos. La genetista rusa Karen Sarkisyan estaba
dirigiendo el minucioso trabajo de clasificación de los diversos genes
implicados en la reacción de emisión de luz.
Una vez encontrados,
introdujo esos genes (procedentes del hongo bioluminiscente Neonothopanus
nambi) en una planta de tabaco. Funcionó: los brotes, los capullos, las
flores e incluso las raíces brillaron. Estaba claro: las plantas y los hongos
hablaban un lenguaje bioquímico similar. Y como hablan un lenguaje bioquímico
similar, era relativamente fácil traducir la ruta metabólica del hongo en
cualquier la planta.
Así fue como han aparecido en el mercado las primeras petunias bioluminiscentes. Peroesa es otra historia que cuento aquí.