Las bacterias bioluminiscentes son bacterias productoras de luz que están presentes predominantemente en el agua de mar, sedimentos marinos, la superficie de los peces en descomposición y en el intestino de los animales marinos. Aunque no es tan común, la bioluminiscencia bacteriana también se encuentra en bacterias terrestres y de agua dulce. [1] Estas bacterias [ aclaración necesaria ] pueden vivir libremente (como Vibrio harveyi ) o en simbiosis con animales como el calamar Bobtail hawaiano ( Aliivibrio fischeri ) o nematodos terrestres ( Photorhabdus luminescens ). Los organismos hospedadores proporcionan a estas bacterias [ aclaración necesaria ] un hogar seguro y nutrición suficiente. A cambio, los hospedadores utilizan la luz producida por las bacterias para camuflarse, atraer presas y/o pareja. Las bacterias bioluminiscentes han desarrollado relaciones simbióticas con otros organismos en las que ambos participantes se benefician mutuamente por igual. [2] Las bacterias también utilizan la reacción de luminiscencia para la detección de quórum , una capacidad para regular la expresión genética en respuesta a la densidad de células bacterianas. [3]
Los registros de bioluminiscencia debido a bacterias existen desde hace miles de años. [4] Aparecen en el folclore de muchas regiones, incluyendo Escandinavia y el subcontinente indio. Tanto Aristóteles como Charles Darwin han descrito el fenómeno de los océanos brillantes que probablemente se deba a estos organismos productores de luz. [4] Desde su descubrimiento hace menos de 30 años, la enzima luciferasa y su gen regulador, lux , han llevado a importantes avances en biología molecular, a través de su uso como gen reportero. [5] La luciferasa fue purificada por primera vez por McElroy y Green en 1955. [6] Más tarde se descubrió que había dos subunidades de la luciferasa, llamadas subunidades α y β. Los genes que codifican estas enzimas, luxA y luxB, respectivamente, se aislaron por primera vez en el operón lux de Aliivibrio fisheri [4] .
Los amplios propósitos biológicos de la bioluminiscencia incluyen, entre otros, la atracción de parejas, [7] la defensa contra depredadores y las señales de advertencia. En el caso de las bacterias bioluminiscentes, la bioluminiscencia sirve principalmente como una forma de dispersión. Se ha planteado la hipótesis de que las bacterias entéricas (bacterias que sobreviven en los intestinos de otros organismos), especialmente las que prevalecen en las profundidades del océano, emplean la bioluminiscencia como una forma eficaz de distribución. [8] Después de abrirse camino hacia el tracto digestivo de los peces y otros organismos marinos y ser excretadas en bolitas fecales, las bacterias bioluminiscentes pueden utilizar sus capacidades bioluminiscentes para atraer a otros organismos y provocar la ingestión de estas bolitas fecales que contienen bacterias. [9] La bioluminiscencia de las bacterias asegura así su supervivencia, persistencia y dispersión, ya que pueden entrar y habitar otros organismos.
La regulación de la bioluminiscencia en las bacterias se logra mediante la regulación de la enzima oxidativa llamada luciferasa . Es importante que las bacterias bioluminiscentes disminuyan las tasas de producción de luciferasa cuando la población es escasa en número para conservar energía. Por lo tanto, la bioluminiscencia bacteriana se regula mediante una comunicación química denominada detección de quórum . [10] Esencialmente, ciertas moléculas de señalización llamadas autoinductores [11] con receptores bacterianos específicos se activan cuando la densidad de población de bacterias es lo suficientemente alta. La activación de estos receptores conduce a una inducción coordinada de la producción de luciferasa que, en última instancia, produce luminiscencia visible . [12]
La reacción química responsable de la bioluminiscencia es catalizada por la enzima luciferasa . En presencia de oxígeno, la luciferasa cataliza la oxidación de una molécula orgánica llamada luciferina . [13] Aunque la bioluminiscencia en una amplia gama de organismos, como bacterias, insectos y dinoflagelados, funciona de esta manera general (utilizando luciferasa y luciferina), existen diferentes tipos de sistemas luciferina-luciferasa. En el caso específico de la bioluminiscencia bacteriana, la reacción bioquímica implica la oxidación de un aldehído alifático por un mononucleótido de flavina reducido . [14] Los productos de esta reacción de oxidación incluyen un mononucleótido de flavina oxidado, una cadena de ácidos grasos y energía en forma de luz visible azul-verde. [15]
Reacción: FMNH 2 + O 2 + RCHO → FMN + RCOOH + H 2 O + luz
De todos los emisores de luz en el océano, las bacterias bioluminiscentes son las más abundantes y diversas. Sin embargo, la distribución de las bacterias bioluminiscentes es desigual, lo que sugiere adaptaciones evolutivas. Las especies bacterianas en géneros terrestres como Photorhabdus son bioluminiscentes. Por otro lado, los géneros marinos con especies bioluminiscentes como Vibrio y Shewanella oneidensis tienen diferentes especies estrechamente relacionadas que no son emisoras de luz. [16] Sin embargo, todas las bacterias bioluminiscentes comparten una secuencia genética común: la oxidación enzimática del aldehído y el mononucleótido de flavina reducido por la luciferasa que están contenidos en el operón lux. [17] Las bacterias de distintos nichos ecológicos contienen esta secuencia genética; por lo tanto, la secuencia genética idéntica sugiere evidentemente que las bacterias bioluminiscentes son el resultado de adaptaciones evolutivas.
Después del descubrimiento del operón lux, se afirma que el uso de bacterias bioluminiscentes como herramienta de laboratorio ha revolucionado el área de la microbiología ambiental. [4] Las aplicaciones de las bacterias bioluminiscentes incluyen biosensores para la detección de contaminantes, la medición de la toxicidad de los contaminantes [4] [18] [19] y el monitoreo de bacterias modificadas genéticamente liberadas al medio ambiente. [20] [21] [22] Los biosensores, creados colocando una construcción del gen lux bajo el control de un promotor inducible, se pueden utilizar para determinar la concentración de contaminantes específicos. [4] Los biosensores también pueden distinguir entre contaminantes que son biodisponibles y aquellos que son inertes y no disponibles. [4] Por ejemplo, Pseudomonas fluorescens ha sido modificada genéticamente para ser capaz de degradar salicilato y naftaleno, y se utiliza como biosensor para evaluar la biodisponibilidad de salicilato y naftaleno. [4] Los biosensores también pueden utilizarse como indicador de la actividad metabólica celular y para detectar la presencia de patógenos. [4]
La química productora de luz detrás de la bioluminiscencia varía entre los linajes de organismos bioluminiscentes. [16] Con base en esta observación, se cree que la bioluminiscencia ha evolucionado independientemente al menos 40 veces. [16] En las bacterias bioluminiscentes, la reclasificación de los miembros del grupo de especies Vibrio fischeri como un nuevo género, Aliivibrio, ha llevado a un mayor interés en los orígenes evolutivos de la bioluminiscencia [16] . Entre las bacterias, la distribución de especies bioluminiscentes es polifilética. Por ejemplo, mientras que todas las especies del género terrestre Photorhabdus son luminiscentes, los géneros Aliivibrio, Photobacterium, Shewanella y Vibrio contienen especies luminosas y no luminosas. [16] A pesar de que la bioluminiscencia en bacterias no comparte un origen común, todas comparten una secuencia genética en común. La aparición del operón lux altamente conservado en bacterias de nichos ecológicos muy diferentes sugiere una fuerte ventaja selectiva a pesar de los altos costos energéticos de producir luz. Se cree que la reparación del ADN es la ventaja selectiva inicial para la producción de luz en las bacterias. [16] En consecuencia, el operón lux puede haberse perdido en las bacterias que desarrollaron sistemas de reparación del ADN más eficientes, pero se mantuvo en aquellas en las que la luz visible se convirtió en una ventaja selectiva. [16] [23] Se cree que la evolución de la detección de quórum ha proporcionado una ventaja selectiva adicional para la producción de luz. La detección de quórum permite a las bacterias conservar energía al garantizar que no sinteticen sustancias químicas productoras de luz a menos que haya una concentración suficiente para ser visible. [16]
Todas las especies bacterianas que se ha informado que poseen bioluminiscencia pertenecen a las familias Vibrionaceae , Shewanellaceae o Enterobacteriaceae , todas las cuales están asignadas a la clase Gammaproteobacteria . [24]
(Lista de Dunlap y Henryk (2013), "Bacterias luminosas", Los procariotas [24] )
Las bacterias bioluminiscentes son más abundantes en ambientes marinos durante las floraciones de primavera cuando hay altas concentraciones de nutrientes. Estos organismos emisores de luz se encuentran principalmente en aguas costeras cerca de la desembocadura de los ríos, como el norte del mar Adriático, el golfo de Trieste, la parte noroeste del mar Caspio, la costa de África y muchos más. [25] Estos se conocen como mares lechosos . Las bacterias bioluminiscentes también se encuentran en ambientes de agua dulce y terrestres, pero están menos extendidas que en ambientes de agua salada. Se encuentran globalmente, como formas de vida libre, simbióticas o parásitas [1] y posiblemente como patógenos oportunistas . [24] Los factores que afectan la distribución de las bacterias bioluminiscentes incluyen la temperatura, la salinidad, la concentración de nutrientes, el nivel de pH y la radiación solar. [26] Por ejemplo, Aliivibrio fischeri crece favorablemente en ambientes que tienen temperaturas entre 5 y 30 °C y un pH inferior a 6,8; Mientras que Photobacterium phosphoreum prospera en condiciones que tienen temperaturas entre 5 y 25 °C y un pH inferior a 7,0. [27]
Todas las bacterias bioluminiscentes comparten una secuencia genética común: el operón lux caracterizado por la organización genética luxCDABE . [24] LuxAB codifica para la luciferasa mientras que luxCDE codifica para un complejo de reductasa de ácidos grasos que es responsable de sintetizar aldehídos para la reacción bioluminiscente. A pesar de esta organización genética común, se pueden observar variaciones, como la presencia de otros genes lux, entre especies. Con base en similitudes en el contenido y la organización genética, el operón lux se puede organizar en los siguientes cuatro tipos distintos: el tipo Aliivibrio / Shewanella , el tipo Photobacterium , el tipo Vibrio / Candidatus Photodesmus y el tipo Photorhabdus . Si bien esta organización sigue el nivel de clasificación de géneros para los miembros de Vibrionaceae ( Aliivibrio , Photobacterium y Vibrio ), su historia evolutiva no se conoce. [24]
Con la excepción del tipo de operón Photorhabdus , todas las variantes del operón lux contienen el gen luxG que codifica la flavina reductasa . [24] La mayoría de los operones de tipo Aliivibrio / Shewanella contienen genes reguladores luxI / luxR adicionales que se utilizan para la autoinducción durante la detección de quórum . [28] El tipo de operón Photobacterum se caracteriza por la presencia de genes rib que codifican riboflavina y forma el operón lux-rib . El tipo de operón Vibrio / Candidatus Photodesmus difiere tanto de los tipos de operón Aliivibrio / Shewanella como de Photobacterium en que el operón no tiene genes reguladores directamente asociados con él. [24]
Todas las luciferasas bacterianas son heterodímeros de aproximadamente 80 KDa que contienen dos subunidades: α y β. La subunidad α es responsable de la emisión de luz. [4] Los genes luxA y luxB codifican las subunidades α y β, respectivamente. En la mayoría de las bacterias bioluminiscentes, los genes luxA y luxB están flanqueados aguas arriba por luxC y luxD y aguas abajo por luxE . [4]
La reacción bioluminiscente es la siguiente:
FMNH2 + O2 + R-CHO - > FMN + H2O + R-COOH + Luz (~495 nm)
El oxígeno molecular reacciona con FMNH2 ( mononucleótido de flavina reducido) y un aldehído de cadena larga para producir FMN (mononucleótido de flavina), agua y un ácido graso correspondiente. La emisión de luz azul-verde de la bioluminiscencia, como la producida por Photobacterium phosphoreum y Vibro harveyi , resulta de esta reacción. [4] Debido a que la emisión de luz implica gastar seis moléculas de ATP por cada fotón, es un proceso energéticamente costoso. Por esta razón, la emisión de luz no se expresa constitutivamente en las bacterias bioluminiscentes; se expresa solo cuando es fisiológicamente necesario.
La bioluminiscencia en bacterias se puede regular a través de un fenómeno conocido como autoinducción o detección de quórum . [4] La detección de quórum es una forma de comunicación de célula a célula que altera la expresión genética en respuesta a la densidad celular. El autoinductor es una feromona difusible producida constitutivamente por bacterias bioluminiscentes y sirve como una molécula de señalización extracelular. [4] Cuando la concentración de autoinductor secretada por células bioluminiscentes en el entorno alcanza un umbral (por encima de 10 7 células por ml), induce la expresión de luciferasa y otras enzimas involucradas en la bioluminiscencia. [4] Las bacterias pueden estimar su densidad detectando el nivel de autoinductor en el entorno y regular su bioluminiscencia de modo que se exprese solo cuando haya una población celular suficientemente alta. Una población celular suficientemente alta asegura que la bioluminiscencia producida por las células será visible en el entorno.
Un ejemplo bien conocido de detección de quórum es el que ocurre entre Aliivibrio fischeri y su hospedador. Este proceso está regulado por LuxI y LuxR, codificados por luxI y luxR respectivamente. LuxI es la sintasa del autoinductor que produce el autoinductor (AI), mientras que LuxR funciona como receptor y factor de transcripción para el operón lux. [4] Cuando LuxR se une al AI, el complejo LuxR-AI activa la transcripción del operón lux e induce la expresión de la luciferasa . [28] Utilizando este sistema, A. fischeri ha demostrado que la bioluminiscencia se expresa solo cuando las bacterias están asociadas al hospedador y han alcanzado densidades celulares suficientes. [29]
Otro ejemplo de detección de quórum por parte de bacterias bioluminiscentes es el de Vibrio harveyi , que se sabe que es de vida libre. A diferencia de Aliivibrio fischeri , V. harveyi no posee los genes reguladores luxI/luxR y, por lo tanto, tiene un mecanismo diferente de regulación de detección de quórum. En su lugar, utilizan el sistema conocido como sistema de detección de quórum de tres canales. [30] Vibrio utiliza pequeños ARN no codificantes llamados ARN Qrr para regular la detección de quórum, utilizándolos para controlar la traducción de moléculas costosas en energía.
Los usos de la bioluminiscencia y su importancia biológica y ecológica para los animales, incluidos los organismos hospedadores de la simbiosis bacteriana, han sido ampliamente estudiados. El papel biológico y la historia evolutiva de las bacterias bioluminiscentes en particular siguen siendo bastante misteriosos y poco claros. [4] [31] Sin embargo, continuamente se realizan nuevos estudios para determinar los impactos que la bioluminiscencia bacteriana puede tener en nuestro entorno y sociedad en constante cambio. Aparte de los muchos usos científicos y médicos, los científicos también han comenzado recientemente a reunirse con artistas y diseñadores para explorar nuevas formas de incorporar bacterias bioluminiscentes, así como plantas bioluminiscentes, en las fuentes de luz urbanas para reducir la necesidad de electricidad. [32] También han comenzado a utilizar bacterias bioluminiscentes como una forma de arte y diseño urbano para el asombro y el disfrute de la sociedad humana. [33] [34] [35]
Una explicación del papel de la bioluminiscencia bacteriana se encuentra en el aspecto bioquímico. Varios estudios han demostrado las funciones bioquímicas de la vía de la luminiscencia. Puede funcionar como una vía alternativa para el flujo de electrones en condiciones de baja concentración de oxígeno, lo que puede resultar ventajoso cuando no hay un sustrato fermentable disponible. [1] En este proceso, la emisión de luz es un producto secundario del metabolismo.
La evidencia también sugiere que la luciferasa bacteriana contribuye a la resistencia al estrés oxidativo. En un cultivo de laboratorio, los mutantes luxA y luxB de Vibrio harveyi , que carecían de actividad luciferasa, mostraron un deterioro del crecimiento bajo un alto estrés oxidativo en comparación con el tipo salvaje. Los mutantes luxD , que tenían una luciferasa no afectada pero no podían producir luminiscencia, mostraron poca o ninguna diferencia. Esto sugiere que la luciferasa media la desintoxicación del oxígeno reactivo. [36]
También se ha propuesto que la bioluminiscencia bacteriana es una fuente de luz interna en la fotorreactivación, un proceso de reparación del ADN llevado a cabo por la fotoliasa. [37] Los experimentos han demostrado que los mutantes no luminiscentes de V. harveyi son más sensibles a la radiación UV, lo que sugiere la existencia de un sistema de reparación del ADN mediado por bioluminiscencia. [23]
Otra hipótesis, llamada la "hipótesis del cebo", es que la bioluminiscencia bacteriana atrae a los depredadores que ayudarán a su dispersión. [37] Las bacterias son ingeridas directamente por los peces o indirectamente por el zooplancton, que finalmente será consumido por los niveles tróficos superiores. En última instancia, esto puede permitir el paso al intestino de los peces, un entorno rico en nutrientes donde las bacterias pueden dividirse, excretarse y continuar su ciclo. Los experimentos con Photobacterium leiognathi luminiscente y mutantes no luminiscentes han demostrado que la luminiscencia atrae al zooplancton y a los peces, lo que respalda esta hipótesis. [37]
La relación simbiótica entre el calamar hawaiano Euprymna scolopes y la bacteria gramnegativa marina Aliivibrio fischeri ha sido bien estudiada. Los dos organismos exhiben una relación mutualista en la que la bioluminiscencia producida por A. fischeri ayuda a atraer presas al calamar huésped, que proporciona tejidos ricos en nutrientes y un entorno protegido para A. fischeri . [38] La bioluminiscencia proporcionada por A. fischeri también ayuda en la defensa del calamar E. scolopes al proporcionar camuflaje durante su actividad de búsqueda de alimento nocturna. [39] Después de la colonización bacteriana, los órganos especializados del calamar experimentan cambios de desarrollo y se establece una relación. El calamar expulsa el 90% de la población bacteriana cada mañana, porque ya no necesita producir bioluminiscencia a la luz del día. [4] Esta expulsión beneficia a las bacterias al ayudar en su diseminación. Una sola expulsión de un calamar bobtail produce suficientes simbiontes bacterianos para llenar 10.000 m 3 de agua de mar a una concentración comparable a la que se encuentra en las aguas costeras. [39] Por lo tanto, en al menos algunos hábitats, la relación simbiótica entre A. fischeri y E. scolopes juega un papel clave en la determinación de la abundancia y distribución de E. scolopes . Hay una mayor abundancia de A. fischeri en las proximidades de una población de E. scolopes y esta abundancia disminuye notablemente al aumentar la distancia desde el hábitat del huésped. [39]
Las especies de Photobacterium bioluminiscentes también participan en asociaciones mutuamente beneficiosas con peces y calamares. [40] Las poblaciones densas de P. kishitanii, P. leiogathi y P. mandapamensis pueden vivir en los órganos de luz de los peces marinos y calamares, y se les proporcionan nutrientes y oxígeno para la reproducción [40] a cambio de proporcionar bioluminiscencia a sus huéspedes, lo que puede ayudar en la señalización específica del sexo, la evitación de depredadores, la localización o atracción de presas y la formación de cardúmenes. [ cita requerida ] Curiosamente, Meyer-Rochow informó en 1976 que si el pez no puede obtener alimento y se muere de hambre, la luz de su simbionte bioluminiscente se vuelve cada vez más tenue hasta que la emisión de luz se detiene por completo. [41]
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