Fé, confianza y luciferasa

10.06.2021

El océano es tan vasto e inmenso que difícilmente nuestra imaginación pueda entender su dimensión, en donde no sólo lo que vemos supera nuestros sentidos, si no, todo lo que no vemos. En donde, bajo ese reflejo azul producido por la absorción total de los colores de longitud alta (rojos) encontramos un mundo tan peculiar y extravagante como los seres que lo habitan.

Desde cefalópodos (pulpos y calamares) sacados de una película de ciencia ficción con aliens gelatinosos hasta los condrictios (tiburones y rayas) cuyos dientes son creaciones de Stephen King, todos ellos viven en un mundo acuático apenas explorado por humanos.

¿Sabías que se conoce más de la superficie lunar que de los fondos abisales?

La zona abisal es una región afótica de unos 4000 a 6000 metros de profundidad, lo que significa que ninguna luz penetra en esta parte de los océanos y mares, por lo tanto, tampoco es posible el desarrollo de procesos fotosintéticos; esta zona constituye alrededor del 75% del espacio oceánico habitable. Sin luz solar que sea capaz de llegar a dichas profundidades, la vida se torna algo extraña y, sin exagerar, probablemente encuentres seres que aparecerían en tus pesadillas.

Temperaturas que rondan los 2° y 3° C, presiones que superan mil veces la de la superficie terrestre, necesitando solo un segundo para aplastar a una persona, claramente la teletransportación a esta parte del planeta no es una opción. ¿Cómo podría no afectar estas condiciones a la vida de los organismos que allí se encuentran? Desde la forma, tamaño, aspecto, fisiología, un sin fin de características asombrosas que se adaptan perfectamente a un entorno tan hostil y extremo.

Estas adaptaciones dieron como resultado dientes desproporcionados y filosos, cuerpos flácidos, bocas de gran tamaño y estómagos extensibles, poca pigmentación en sus cuerpos, apariencias monstruosas y cuerpos translúcidos o transparentes. Aunque los aspectos de estos habitantes de aguas oscuras se asemejan a historias tenebrosas, hay una cualidad que, más bien es de ensueño, y que en mi opinión, se aproxima a la magia, con ustedes: la bioluminiscencia.

La bioluminiscencia es el proceso a través del cual los organismos vivos producen luz. Existiendo así, tres tipos. Por un lado, la intracelular, la cual es producida por células especializadas del individuo (fotocistos) cuya luz se emite al exterior a través de la piel o se intensifica mediante lentes reflectantes, como los cristales de urato presentes en las luciérnagas o las placas de guanina de ciertos peces o copépodos (pequeñísimos crustáceos que forman parte del zooplancton) como el zafiro de mar, encontrándose cubiertos por una capa de estas placas que varía de color de acuerdo a cómo incida el ángulo de reflexión sobre estas, produciendo así colores iridiscentes resultado de la luz reflejándose en estructuras periódicas (que se repiten secuencialmente). Estas placas de guanina en los copépodos sólo se presentan en los machos, mientras que las hembras son transparentes.

Por otro lado, la bioluminiscencia extracelular, la cual se da por una reacción química de oxidación en la que intervienen cuatro componentes: la luciferasa (enzima), luciferina (proteína o sustrato), oxígeno y ATP. ¿Cómo es que estas moléculas tienen la capacidad de transformarse en este especial destello natural? Bueno, la cosa es así: cuando nuestro bichito en cuestión respira, ingresa a su organismo oxígeno y este oxígeno inhalado es el que oxida a la luciferina (nuestro sustrato) mediante la catálisis de luciferasa. Esta transformación oxidativa requiere de energía, o sea de ATP, el cual es liberado en forma de adenosín monofosfato (AMP). Finalmente, los productos de esta reacción química son la oxiluciferina y, adivinen, la luz. La luciferasa en realidad consiste en toda una familia de moléculas que varían en diferentes aspectos según la especie que la presenta. No obstante, todas funcionan de la misma manera a grosso modo. No sé a ustedes pero a mi me cuesta entender cómo esa combinación de "cosas" son capaces de generar luz aunque no puedo negar que me parece completamente hermoso. La naturaleza y su magia.

Y por último, el tipo más conocido de bioluminiscencia es aquella producida por la simbiosis con bacterias luminiscentes, el cual parece ser el fenómeno de luminiscencia de origen biológico más extendido en el reino animal. En diversos lugares del cuerpo, los animales presentan glándulas denominadas fotóforos, constituidos a su vez por fotocitos, células especializadas en donde se albergan los microorganismos simbiontes (que producen su luz mediante la luciferina).

Uno de los dúos icónicos que forman esta famosa simbiosis son el calamar hawaiano junto con el bacilo Vibrio fischeria. En esta asociación, el cefalópodo otorga protección y nutrientes (azúcares y aminoácidos) a la bacteria, mientras que esta le brinda todo su esplendor. Este trabajo en equipo formado por la evolución funciona de la siguiente manera: durante el día, el calamar permanece enterrado bajo los fondos arenosos del suelo marino, y cuando oscurece, asciende por la columna de agua en busca de alimento. Es entonces cuando su entramado de fotóforos entra en acción: la luz que emiten se equipara a la que se filtra de la luna, logrando una contrailuminación que permite borrar su silueta y ocultar así su presencia a los potenciales depredadores. Y aquí un dato no menor: como todos los organismos simbióticamente luminiscentes, al nacer, el calamar carece de esas bacterias, por lo que durante las primeras horas de vida segrega una mucosidad que las captura. En el caso del calamar hawaiano, se ha comprobado que su relación simbiótica con sus bacterias va más allá, ya que también controlan los ritmos circadianos del cefalópodo: las bacterias solo se activan y encienden al anochecer y parece ser que es esta luz en particular -con una determinada longitud de onda- la que activa los mecanismos que regulan su reloj interno (para más info del ciclo circadiano mira nuestro post: Una Noche en Circadia).

Una investigación descubrió que la luz azul, producida por V. fischeria, es un potente activador de los genes del reloj corporal que rigen el ritmo circadiano. Dichos genes, denominados criptocromos, son los encargados de "darle cuerda" a este reloj biológico, produciendo así una cascada de reacciones que provocan que nuestro amigo gelatinoso se despierte de su dulce sueño y vaya a alimentarse a la superficie. Es más, los genes del criptocromo de los calamares jóvenes criados en laboratorio que no estaban colonizados por las bacterias no tenían ningún ciclo, lo que significa que necesitan a las bacterias para funcionar. Este estudio demostró que la bioluminiscencia no sólo interviene en la alimentación y reproducción de un individuo, sino también, es indispensable a un nivel fisiológico que, hace no mucho, era impensado. Los criptocromos podrían también intervenir en la migración de las aves, regidas por los campos magnéticos de la Tierra ya que la capacidad de las aves para detectar los campos está influenciada por la luz azul o verde, mientras que la luz de otras longitudes de onda altera el sentido magnético.

Estos genes no sólo se encuentran en los animales, también están presentes en las plantas, por ejemplo, interviniendo en la elongación del hipocótilo (tallo). Las investigaciones también sugieren que, puesto que los criptocromos han sido conservados en gran medida a lo largo de la evolución, todos los organismos biológicos podrían tener la capacidad de detectar campos magnéticos, incluso si no los utilizan.

Sin embargo, este bacilo simbionte del calamar no es el único "iluminado" por la evolución. Si bien este fenómeno de luz y magia, que más que magia es química y evolución, se concentra en los fondos oceánicos (90% de los animales bioluminiscentes), en tierra firme también existe esa magia y un bichito en particular que acapara toda nuestra atención con su presencia brillosa en las noches oscuras, las luciérnagas.

Estos insectos poseen un órgano fosforescente -fotógeno- en la parte inferior del abdomen en el cual se presentan los compuestos orgánicos que producen luz, la luciferina y luciferasa respectivamente. Dato curioso y particularmente tierno, para la descripción de la estructura de la luciferasa en 1956 se necesitaron grandes cantidades de luciérnagas que obtuvieron gracias a niños, que por cada ejemplar se les pagaba un centavo. Algo así como el ratón Pérez pero en versión coleoptérica.

Aparte de sus famosas proteínas, presentan cristales de urato y ácido úrico, los cuales ayudan a la difusión de la luz. En este sentido, podríamos decir que las luciérnagas son los alquimistas más eficientes de la naturaleza.

La luz emitida por las luciérnagas es la más productiva del reino animal, ya que casi el 100% de la energía de la reacción química acaba transformándose en centelleo. Para que nos hagamos una idea, un foco tan sólo emite el diez por ciento de su energía en haces de luz, el resto se pierde en forma de calor. Debido a que la luciérnaga puede regular a capricho el aire que penetra en su abdomen ella misma es capaz de crear la pauta intermitente de luminosidad que todos hemos visto alguna vez.

Y por último, nos quedan los seres de otro reino, los hongos. Existen 64 especies fúngicas que presentan bioluminiscencia, ya sabemos de dónde sacó James Cameron su inspiración para crear el mundo de "Pandora". Si bien la relación taxonómica de estas 64 especies no está completamente explicada ya que algunos géneros quedan deambulando por el árbol filogenético podemos decir que todas las especies de hongos bioluminiscentes pertenecen al grupo de Basidiomicetes, el típico hongo paragüitas.

Por varios años se ignoró qué mecanismo luciferina/luciferasa era usado por los hongos luminiscentes, pues parecía que las sustancias implicadas eran completamente diferentes al de las luciérnagas. Hoy en día sabemos que la luciferina fúngica requiere de un precursor denominado hispidina, un metabolito secundario de los hongos. Esta sustancia estaba presente en cuatro especies de hongos luminiscentes que están escasamente emparentados entre sí. Esto sugiere que el mecanismo luminiscente parece ser el mismo en los hongos en general. A pesar de presentar un mecanismo de bioluminiscencia completamente diferente a los otros grupos, existe una cuestión que representa una convergencia evolutiva increíble. En los hongos la bioluminiscencia también está estrechamente relacionada con el reloj circadiano, resumiendo en pocas palabras, durante el día los hongos no brillan pero cuando todo se apaga ellos se prenden simulando pequeñas galaxias forestales.

Tal vez ni las luciérnagas ni los calamares sean mágicos o los hongos no provengan de Pandora, pero lo que sí es mágico es la evolución, que no necesita de luciferina para encontrar su propio resplandor. 

- Sofia Virasoro


Bibliografía:


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