Organisme bioluminescent telah berkembang puluhan kali sepanjang sejarah kehidupan. Biokimia apa yang diperlukan untuk menerangi kegelapan? Pelbagai kajian dikhaskan untuk isu ini. Terjun cukup dalam ke dalam lautan, dan anda tidak akan melihat kegelapan, tetapi cahaya. 90% ikan dan hidupan laut yang berkembang maju pada kedalaman 100 atau bahkan 1000 meter mampu menghasilkan cahaya mereka sendiri. Ikan senter memburu dan berkomunikasi menggunakan sejenis kod Morse yang dihantar oleh poket ringan di bawah mata. Ikan dari keluarga Platytroctidae menembak dakwat bercahaya ke arah penyerang mereka. Ikan kapak membuat diri mereka tidak terlihat dengan memancarkan cahaya di perutnya untuk mensimulasikan cahaya matahari yang turun; pemangsa melihatnya dan hanya melihat cahaya berterusan.
Para saintis telah mengindeks beribu-ribu organisma bioluminescent di seluruh pokok kehidupan dan berharap dapat menambah lebih banyak lagi. Namun, mereka telah lama bertanya-tanya bagaimana bioluminescence muncul. Sekarang, seperti yang ditunjukkan oleh kajian yang diterbitkan baru-baru ini, para saintis telah membuat kemajuan yang signifikan dalam memahami asal-usul bioluminescence - baik secara evolusi maupun kimia. Pandangan baru mungkin suatu hari membolehkan bioluminescence digunakan dalam penyelidikan biologi dan perubatan.
Salah satu cabaran lama adalah menentukan berapa kali satu bioluminescence berlaku. Berapa banyak spesies yang datang kepadanya secara bebas antara satu sama lain?
Walaupun beberapa contoh cahaya yang paling terkenal dalam organisma hidup adalah daratan - anggap kunang-kunang, misalnya - kebanyakan peristiwa evolusi yang berkaitan dengan bioluminescence berlaku di lautan. Bioluminescence hampir dan nampaknya tidak ada di semua vertebrata darat dan tanaman berbunga.
Di kedalaman lautan, cahaya memberi organisme cara unik untuk menarik mangsa, berkomunikasi dan mempertahankan diri, kata Matthew Davis, ahli biologi di Saint Cloud State University di Minnesota. Dalam sebuah kajian yang diterbitkan pada bulan Jun, dia dan rakannya mendapati bahawa ikan yang menggunakan cahaya untuk berkomunikasi dan memberi isyarat pacaran adalah hal yang biasa. Dalam jangka masa kira-kira 150 juta tahun - tidak lama berdasarkan piawaian evolusi - ikan tersebut telah tersebar luas ke lebih banyak spesies daripada ikan lain. Spesies bioluminescent, yang menggunakan cahaya mereka secara eksklusif untuk penyamaran, sebaliknya, tidak begitu beragam.
Isyarat perkahwinan dapat diubah dengan mudah. Perubahan ini, pada gilirannya, dapat membuat subkumpulan dalam populasi, yang akhirnya berpecah menjadi spesies yang unik. Pada bulan Jun, Todd Oakley, ahli biologi evolusi di University of California, Santa Barbara, dan salah seorang pelajarnya, Emily Ellis, menerbitkan kajian yang menunjukkan bahawa organisma yang menggunakan bioluminescence sebagai isyarat kawin mempunyai lebih banyak spesies dan kadar pengumpulan spesies yang lebih cepat daripada saudara terdekat mereka yang tidak menggunakan cahaya. Oakley dan Ellis mengkaji sepuluh kumpulan organisma, termasuk kunang-kunang, gurita, jerung, dan arthropoda kecil, ostrakod.
Penyelidikan Davis dan rakannya hanya terbatas pada ikan bersirip sinar, yang merangkumi sekitar 95% spesies ikan. Davis mengira bahawa walaupun dalam satu kumpulan ini, bioluminescence berkembang sekurang-kurangnya 27 kali. Stephen Haddock, ahli biologi marin di Monterey Bay Aquarium Research Institute dan pakar dalam bioluminescence, menganggarkan bahawa di antara semua bentuk kehidupan, bioluminescence secara bebas muncul sekurang-kurangnya 50 kali.
Video promosi:
Banyak cara untuk menyala
Dalam hampir semua organisma bercahaya, bioluminescence memerlukan tiga bahan: oksigen, luciferin pigmen pemancar cahaya (dari kata Latin lucifer, yang bermaksud "membawa cahaya"), dan enzim luciferase. Apabila luciferin berinteraksi dengan oksigen - melalui luciferase - ia membentuk komponen teruja dan tidak stabil yang dipancarkan oleh set itu, kembali ke keadaan tenaga yang lebih rendah.
Anehnya, terdapat luciferin yang jauh lebih sedikit daripada luciferase. Walaupun spesies cenderung mempunyai luciferase yang unik, banyak spesies yang mempunyai luciferin yang sama. Hanya empat luciferin yang bertanggungjawab menghasilkan sebahagian besar cahaya di lautan. Dari hampir 20 kumpulan organisma bioluminescent di dunia, sembilan daripadanya memancarkan cahaya dari luciferin yang disebut coelenterazine.
Akan tetapi, adalah suatu kesalahan untuk mempercayai bahawa semua organisma yang mengandung coelenterazine berasal dari satu nenek moyang bercahaya. Sekiranya demikian, mengapa mereka mengembangkan spektrum luciferase yang begitu luas, tanya Warren Francis, seorang ahli biologi di Universiti Ludwig Maximilian di Munich. Agaknya, pasangan pertama luciferin-luciferase sepatutnya bertahan dan berlipat ganda.
Ada juga kemungkinan bahawa banyak spesies ini tidak menghasilkan coelenterazine sendiri. Sebaliknya, mereka mendapatkannya dari diet mereka, kata Yuichi Oba, seorang profesor biologi di Universiti Chubu di Jepun.
Pada tahun 2009, sebuah pasukan yang diketuai oleh Oba mendapati bahawa krustasea laut dalam (copepods) - krustasea kecil yang meluas - membuat coelenterazine. Krustasea ini adalah sumber makanan yang sangat banyak untuk pelbagai jenis haiwan laut - begitu banyak sehingga mereka disebut "padi di lautan" di Jepun. Dia berpendapat bahawa krustasea ini adalah kunci untuk memahami mengapa begitu banyak organisma laut menjadi bioluminescent.
Kedua-duanya dan rakan-rakannya mengambil asid amino, yang dipercayai sebagai blok bangunan coelenterazine, melabelkannya dengan penanda molekul, dan memasukkannya ke dalam makanan untuk copepod. Kemudian mereka memberi makanan ini kepada krustasea di makmal.
Selepas 24 jam, para saintis mengeluarkan coelenterazine dari krustasea dan melihat penanda yang ditambahkan. Jelas, mereka berada di mana-mana - yang merupakan bukti utama bahawa krustasea mensintesis molekul luciferin dari asid amino.
Bahkan ubur-ubur yang pertama kali menemui coelenterazine (dan diberi nama) tidak menghasilkan coelenterazine sendiri. Mereka mendapat luciferin mereka dengan memakan krustasea dan krustasea kecil yang lain.
Asal misteri
Para saintis telah menemui petunjuk lain yang dapat membantu menjelaskan popularitas coelenterazine di kalangan haiwan laut dalam: molekul ini juga terdapat dalam organisma yang tidak memancarkan cahaya. Ini mengejutkan Jean-François Ries, ahli biologi di Universiti Katolik Leuven di Belgium, sebagai sesuatu yang aneh. Sungguh mengejutkan bahawa "begitu banyak haiwan bergantung pada molekul yang sama untuk menghasilkan cahaya," katanya. Mungkin coelenterazine mempunyai fungsi lain selain luminescence?
Dalam eksperimen dengan sel hati tikus, Reese menunjukkan bahawa coelenterazine adalah antioksidan yang kuat. Hipotesisnya: Coelenterazine mungkin pertama kali tersebar di antara organisma laut yang hidup di perairan permukaan. Di sana, antioksidan dapat memberikan perlindungan yang diperlukan terhadap kesan oksidatif sinar matahari yang berbahaya.
Ketika organisma ini mula menjajah perairan lautan yang lebih dalam, di mana keperluan antioksidan lebih rendah, kemampuan coelenterazine untuk memancarkan cahaya sangat berguna, Reese mencadangkan. Dari masa ke masa, organisma telah mengembangkan strategi yang berbeza - seperti luciferase dan organ cahaya khusus - untuk meningkatkan kualiti ini.
Walau bagaimanapun, para saintis belum mengetahui bagaimana organisma lain, bukan hanya copepod Oba, membuat coelenterazine. Gen yang memberi kod untuk coelenterazine juga sama sekali tidak diketahui.
Ambil jeli sisir, misalnya. Makhluk laut kuno ini - yang dianggap oleh beberapa orang sebagai cabang pertama pokok haiwan - telah lama disyaki menghasilkan coelenterazine. Tetapi tidak ada yang dapat mengesahkan ini, apalagi mengenal pasti petunjuk genetik tertentu di tempat kerja.
Namun, tahun lalu, dilaporkan bahawa sekumpulan penyelidik yang diketuai oleh Francis dan Haddock menemui gen yang mungkin terlibat dalam sintesis luciferin. Untuk melakukan ini, mereka mempelajari transkripom ctenophores, yang merupakan gambaran gen yang dinyatakan haiwan pada waktu tertentu. Mereka mencari gen yang dikodkan untuk sekumpulan tiga asid amino - asid amino yang sama dengan yang diberikan Oba ke copepodnya.
Di antara 22 spesies ctenophores bioluminescent, saintis telah menemui sekumpulan gen yang sesuai dengan kriteria mereka. Gen yang sama ini tidak ada pada dua spesies ctenophore bukan bercahaya lain.
Dunia baru
Mekanisme genetik bioluminescence mempunyai aplikasi di luar biologi evolusi. Sekiranya saintis dapat mengasingkan gen untuk pasangan luciferin dan luciferase, mereka berpotensi membuat organisma dan sel bersinar, untuk satu sebab atau yang lain.
Pada tahun 1986, saintis di University of California di San Diego mengubah dan memasukkan gen luciferase kunang-kunang ke dalam tanaman tembakau. Kajian itu diterbitkan dalam jurnal Science, yang menampilkan salah satu tumbuhan ini bersinar dengan latar belakang gelap.
Tumbuhan ini tidak menghasilkan cahaya dengan sendirinya - ia mengandungi luciferase. Tetapi agar tembakau ini menyala, ia mesti disiram dengan larutan yang mengandungi luciferin.
Tiga puluh tahun kemudian, saintis masih belum dapat membuat organisma bercahaya sendiri menggunakan teknik genetik, kerana mereka tidak mengetahui laluan biosintetik bagi kebanyakan luciferin. (Satu-satunya pengecualian terdapat pada bakteria: Para saintis dapat mengenal pasti gen cahaya yang memberi kod untuk sistem luciferin-luciferase bakteria, tetapi gen ini perlu diubah suai agar berguna bagi mana-mana organisma bukan bakteria.)
Salah satu potensi penggunaan luciferin dan luciferase terbesar dalam biologi sel adalah memasukkannya sebagai mentol ke dalam sel dan tisu. Teknologi semacam ini akan berguna untuk mengesan lokasi sel, ekspresi gen, pengeluaran protein, kata Jennifer Prescher, profesor kimia di University of California, Irvine.
Penggunaan molekul bioluminescence akan sama bermanfaatnya dengan penggunaan protein pendarfluor, yang sudah digunakan untuk memantau perkembangan infeksi HIV, untuk memvisualisasikan tumor dan memantau kerusakan saraf pada penyakit Alzheimer.
Pada masa ini, saintis yang menggunakan luciferin untuk percubaan pencitraan mesti membuat versi sintetiknya, atau membelinya pada harga $ 50 per miligram. Memperkenalkan luciferin dari luar ke dalam sel juga sukar - tidak menjadi masalah jika sel itu dapat membuat luciferin sendiri.
Penyelidikan berterusan dan secara beransur-ansur menentukan proses evolusi dan kimia mengenai bagaimana organisma menghasilkan cahaya. Tetapi sebahagian besar dunia bioluminescent masih dalam kegelapan.
Ilya Khel
