Os organismos bioluminescentes evoluíram dezenas de vezes ao longo da história da vida. Que bioquímica é necessária para iluminar a escuridão? Vários estudos são dedicados a este assunto. Mergulhe fundo o suficiente nas profundezas do oceano, e você verá não escuridão, mas luz. 90% dos peixes e da vida marinha que se desenvolvem em profundidades de 100 ou até 1000 metros são capazes de produzir sua própria luz. Peixes-lanterna caçam e se comunicam usando uma espécie de código Morse enviado por bolsões de luz sob os olhos. Peixes da família Platytroctidae atiram tinta brilhante em seus agressores. Os peixes machados tornam-se invisíveis emitindo luz em seus abdomens para simular a luz do sol descendente; predadores olham para eles e veem apenas um brilho contínuo.
Os cientistas indexaram milhares de organismos bioluminescentes em toda a árvore da vida e esperam adicionar mais. No entanto, eles há muito se perguntam como surgiu a bioluminescência. Agora, como mostram estudos publicados recentemente, os cientistas fizeram um progresso significativo na compreensão das origens da bioluminescência - tanto evolutiva quanto quimicamente. Novas descobertas podem um dia permitir que a bioluminescência seja usada em pesquisas biológicas e médicas.
Um dos desafios de longa data é determinar quantas vezes uma única bioluminescência ocorreu. Quantas espécies chegaram a ela independentemente umas das outras?
Embora alguns dos exemplos mais conhecidos de luz em organismos vivos sejam terrestres - pense em vaga-lumes, por exemplo - a maioria dos eventos evolutivos associados à bioluminescência ocorreram no oceano. A bioluminescência está virtualmente e aparentemente ausente em todos os vertebrados terrestres e plantas com flores.
Nas profundezas do oceano, a luz oferece aos organismos uma maneira única de atrair presas, se comunicar e se defender, diz Matthew Davis, biólogo da Saint Cloud State University, em Minnesota. Em um estudo publicado em junho, ele e seus colegas descobriram que os peixes que usam a luz para se comunicar e sinalizar o cortejo eram especialmente comuns. Durante um período de cerca de 150 milhões de anos - não muito para os padrões evolutivos - esses peixes se espalharam amplamente em mais espécies do que outros peixes. As espécies bioluminescentes, que usavam sua luz exclusivamente para camuflagem, por outro lado, não eram tão diversas.
Os sinais de casamento podem ser alterados com relativa facilidade. Essas mudanças, por sua vez, podem criar subgrupos na população, que eventualmente se dividem em espécies únicas. Em junho, Todd Oakley, um biólogo evolucionário da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e uma de suas alunas, Emily Ellis, publicou um estudo mostrando que os organismos que usam a bioluminescência como sinais de acasalamento tinham muito mais espécies e uma taxa mais rápida de acúmulo de espécies do que seus parentes próximos que não usam luz. Oakley e Ellis estudaram dez grupos de organismos, incluindo vaga-lumes, polvos, tubarões e minúsculos artrópodes, ostracodes.
A pesquisa de Davis e seus colegas se limitou a peixes com nadadeiras raiadas, que compreendem aproximadamente 95% das espécies de peixes. Davis calculou que, mesmo nesse grupo, a bioluminescência se desenvolveu pelo menos 27 vezes. Stephen Haddock, biólogo marinho do Monterey Bay Aquarium Research Institute e especialista em bioluminescência, estimou que, entre todas as formas de vida, a bioluminescência apareceu independentemente pelo menos 50 vezes.
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Muitas maneiras de inflamar
Em quase todos os organismos luminosos, a bioluminescência requer três ingredientes: oxigênio, o pigmento emissor de luz luciferina (da palavra latina lucifer, que significa “transportar luz”) e a enzima luciferase. Quando a luciferina interage com o oxigênio - via luciferase - ela forma um componente instável e excitado que o conjunto emite, retornando a um estado de baixa energia.
Curiosamente, existem muito menos luciferinas do que luciferase. Embora as espécies tendam a ter uma luciferase única, muitas têm a mesma luciferina. Apenas quatro luciferinas são responsáveis por produzir a maior parte da luz no oceano. Dos quase 20 grupos de organismos bioluminescentes no mundo, nove deles emitem luz da luciferina chamada coelenterazina.
No entanto, seria um erro acreditar que todos os organismos que contêm celenterazina descendem de um ancestral luminoso. Se fosse esse o caso, por que eles desenvolveriam um espectro tão amplo de luciferase, pergunta Warren Francis, biólogo da Universidade Ludwig Maximilian, em Munique. Presumivelmente, o primeiro par de luciferina-luciferase deveria ter sobrevivido e se multiplicado.
Também é provável que muitas dessas espécies não produzam coelenterazina por conta própria. Em vez disso, eles o obtêm de sua dieta, diz Yuichi Oba, professor de biologia da Universidade de Chubu, no Japão.
Em 2009, uma equipe liderada por Oba descobriu que um crustáceo do fundo do mar (copépodes) - um crustáceo minúsculo e comum - estava produzindo sua coelenterazina. Esses crustáceos são uma fonte de alimento extremamente abundante para uma ampla variedade de animais marinhos - tão abundantes que são chamados de "arroz no oceano" no Japão. Ele acha que esses crustáceos são a chave para entender por que tantos organismos marinhos são bioluminescentes.
Ambos e seus colegas pegaram aminoácidos, que se acredita serem os blocos de construção da coelenterazina, os rotularam com um marcador molecular e os carregaram em alimentos para copépodes. Em seguida, eles alimentaram crustáceos em laboratório com essa comida.
Após 24 horas, os cientistas extraíram a coelenterazina dos crustáceos e olharam os marcadores que foram adicionados. Obviamente, eles estavam por toda parte - o que era a prova definitiva de que os crustáceos sintetizavam moléculas de luciferina a partir de aminoácidos.
Mesmo a água-viva que primeiro descobriu a coelenterazina (e que recebeu o nome) não produz coelenterazina própria. Eles obtêm sua luciferina comendo crustáceos e outros pequenos crustáceos.
Origens misteriosas
Os cientistas descobriram outra pista que pode ajudar a explicar a popularidade da coelenterazina entre os animais do fundo do mar: organismos que não emitem luz também possuem essa molécula. Isso pareceu estranho a Jean-François Ries, biólogo da Universidade Católica de Leuven, na Bélgica. É surpreendente que “tantos animais dependam da mesma molécula para produzir luz”, diz ele. Talvez a coelenterazina tenha outras funções além da luminescência?
Em experimentos com células de fígado de rato, Reese mostrou que a coelenterazina é um potente antioxidante. Sua hipótese: a coelenterazina pode ter se espalhado primeiro entre organismos marinhos que vivem em águas superficiais. Lá, o antioxidante poderia fornecer a proteção necessária contra os efeitos oxidativos da luz solar prejudicial.
Quando esses organismos começaram a colonizar águas oceânicas mais profundas, onde a necessidade de antioxidantes é menor, a capacidade da coelenterazina de emitir luz veio a calhar, sugeriu Reese. Com o tempo, os organismos desenvolveram diferentes estratégias - como a luciferase e órgãos de luz especializados - para aumentar essa qualidade.
No entanto, os cientistas não descobriram como outros organismos, não apenas os copépodes Oba, produzem a coelenterazina. Os genes que codificam para a coelenterazina também são completamente desconhecidos.
Veja a geléia de pente, por exemplo. Essas antigas criaturas marinhas - consideradas por alguns como o primeiro ramo da árvore animal - há muito são suspeitas de produzirem coelenterazina. Mas ninguém foi capaz de confirmar isso, muito menos identificar instruções genéticas específicas em ação.
No ano passado, porém, foi relatado que um grupo de pesquisadores liderado por Francis e Haddock encontrou um gene que pode estar envolvido na síntese da luciferina. Para isso, eles estudaram os transcriptomas de ctenóforos, que são instantâneos dos genes que um animal expressa em um determinado momento. Eles procuraram genes codificados para um grupo de três aminoácidos - os mesmos aminoácidos que Oba alimentou seus copépodes.
Entre 22 espécies de ctenóforos bioluminescentes, os cientistas encontraram um grupo de genes que correspondem aos seus critérios. Esses mesmos genes estavam ausentes em duas outras espécies de ctenóforos não luminescentes.
Novo Mundo
O mecanismo genético da bioluminescência tem aplicações fora da biologia evolutiva. Se os cientistas puderem isolar os genes para os pares de luciferina e luciferase, eles podem potencialmente fazer os organismos e células brilharem, por uma razão ou outra.
Em 1986, cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego modificaram e incorporaram o gene da luciferase do vagalume nas plantas do tabaco. O estudo foi publicado na revista Science, apresentando uma dessas plantas brilhando assustadoramente contra um fundo escuro.
Esta planta não produz luz por si mesma - contém luciferase. Mas para que esse tabaco brilhe, ele deve ser regado com uma solução contendo luciferina.
Trinta anos depois, os cientistas ainda não foram capazes de criar organismos autoluminosos usando a engenharia genética, porque não conhecem as vias biossintéticas da maioria das luciferinas. (A única exceção foi encontrada em bactérias: os cientistas foram capazes de identificar os genes brilhantes que codificam para o sistema luciferina-luciferase bacteriano, mas esses genes precisam ser modificados para serem úteis para qualquer organismo não bacteriano.)
Um dos maiores usos potenciais da luciferina e da luciferase na biologia celular é incorporá-las como lâmpadas nas células e tecidos. Esse tipo de tecnologia seria útil para rastrear a localização das células, expressão gênica e produção de proteínas, diz Jennifer Prescher, professora de química da Universidade da Califórnia, Irvine.
O uso de moléculas de bioluminescência será tão útil quanto o uso de uma proteína fluorescente, que já é usada para monitorar o desenvolvimento de infecções pelo HIV, para visualizar tumores e rastrear danos nos nervos na doença de Alzheimer.
Atualmente, os cientistas que usam a luciferina para experimentos de imagem devem criar uma versão sintética dela ou comprá-la por US $ 50 o miligrama. Introduzir luciferina de fora na célula também é difícil - não seria um problema se a célula pudesse produzir sua própria luciferina.
A pesquisa continua e está definindo gradualmente os processos evolutivos e químicos sobre como os organismos produzem luz. Mas a maior parte do mundo bioluminescente ainda está às escuras.
Ilya Khel
