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Biofotón

Los biofotones (del griego βίος, que significa "vida", y φῶς, que significa "luz") son fotones de luz en el rango ultravioleta y de luz visible baja que son producidos por un sistema biológico . No son de origen térmico, y la emisión de biofotones es técnicamente un tipo de bioluminiscencia , aunque el término "bioluminiscencia" generalmente se reserva para sistemas de mayor luminancia (típicamente con luz emitida visible a simple vista, utilizando medios bioquímicos como la luciferina / luciferasa ). El término biofotón utilizado en este sentido estricto no debe confundirse con el campo más amplio de la biofotónica , que estudia la interacción general de la luz con los sistemas biológicos.

Los tejidos biológicos suelen producir una emisión radiante observable en las frecuencias visibles y ultravioleta que van desde 10 −17 a 10 −23 W/cm 2 (aproximadamente 1-1000 fotones/cm 2 /segundo). [1] Este bajo nivel de luz tiene una intensidad mucho más débil que la luz visible producida por la bioluminiscencia, pero los biofotones son detectables por encima del fondo de radiación térmica que emiten los tejidos a su temperatura normal. [2]

Aunque varios grupos han informado sobre la detección de biofotones, [3] [4] [5] las hipótesis de que dichos biofotones indican el estado de los tejidos biológicos y facilitan una forma de comunicación celular aún están bajo investigación, [6] [7] Alexander Gurwitsch , quien descubrió la existencia de biofotones, recibió el Premio Stalin en 1941 por su trabajo. [8]

Detección y medición

Los biofotones se pueden detectar con fotomultiplicadores o por medio de una cámara CCD de ruido ultra bajo para producir una imagen, utilizando un tiempo de exposición de típicamente 15 minutos para materiales vegetales. [9] [3] Los tubos fotomultiplicadores se han utilizado para medir las emisiones de biofotones de los huevos de peces, [10] y algunas aplicaciones han medido biofotones de animales y humanos. [11] [12] [13] Los CCD de multiplicación de electrones (EM-CCD) optimizados para la detección de luz ultradébil [14] también se han utilizado para detectar la bioluminiscencia producida por células de levadura al inicio de su crecimiento. [15]

La emisión radiante típica observada de los tejidos biológicos en las frecuencias visibles y ultravioleta varía de 10 −17 a 10 −23 W/cm 2 con un recuento de fotones de unos pocos a casi 1000 fotones por cm 2 en el rango de 200 nm a 800 nm. [1]

Mecanismos físicos propuestos

La quimioexcitación a través del estrés oxidativo por especies reactivas de oxígeno o catálisis por enzimas (es decir, peroxidasa , lipoxigenasa ) es un evento común en el medio biomolecular. [16] Tales reacciones pueden conducir a la formación de especies excitadas por tripletes , que liberan fotones al regresar a un nivel de energía más bajo en un proceso análogo a la fosforescencia . El hecho de que este proceso sea un factor que contribuya a la emisión espontánea de biofotones ha sido indicado por estudios que demuestran que la emisión de biofotones puede aumentarse mediante la eliminación de antioxidantes del tejido analizado [17] o mediante la adición de agentes derivatizantes de carbonilo. [18] Los estudios que indican que la emisión puede aumentarse mediante la adición de especies reactivas de oxígeno brindan mayor apoyo . [19]

Plantas

La obtención de imágenes de biofotones de las hojas se ha utilizado como método para analizar las respuestas de los genes R. [9] Estos genes y sus proteínas asociadas son responsables del reconocimiento de patógenos y la activación de redes de señalización de defensa que conducen a la respuesta hipersensible, [20] que es uno de los mecanismos de resistencia de las plantas a la infección por patógenos. Implica la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), que tienen un papel crucial en la transducción de señales o como agentes tóxicos que conducen a la muerte celular. [21]

También se han observado biofotones en las raíces de plantas estresadas. En las células sanas, la concentración de ROS se minimiza mediante un sistema de antioxidantes biológicos. Sin embargo, el choque térmico y otros tipos de estrés modifican el equilibrio entre el estrés oxidativo y la actividad antioxidante; por ejemplo, el aumento rápido de la temperatura induce la emisión de biofotones por parte de las ROS. [22]

Participación hipotética en la comunicación celular

En la década de 1920, el embriólogo ruso Alexander Gurwitsch informó sobre emisiones de fotones "ultradébiles" de tejidos vivos en el rango ultravioleta del espectro. Los llamó "rayos mitogenéticos" porque sus experimentos lo convencieron de que tenían un efecto estimulante sobre la división celular . [23]

En la década de 1970, Fritz-Albert Popp y su grupo de investigación de la Universidad de Marburgo ( Alemania ) demostraron que la distribución espectral de la emisión abarcaba un amplio rango de longitudes de onda, desde 200 a 750 nm. [24] El trabajo de Popp sobre las propiedades estadísticas de la emisión de biofotones, es decir, las afirmaciones sobre su coherencia, fue criticado por falta de rigor científico. [2]

Un mecanismo de biofotones se centra en las células lesionadas que están bajo niveles más altos de estrés oxidativo , que es una fuente de luz, y puede considerarse que constituye una "señal de socorro" o un proceso químico de fondo, pero este mecanismo aún está por demostrarse. [ cita requerida ] La dificultad de desentrañar los efectos de los supuestos biofotones en medio de las numerosas interacciones químicas entre las células hace que sea difícil idear una hipótesis comprobable. Un artículo de revisión de 2010 analiza varias teorías publicadas sobre este tipo de señalización. [25]

La hipótesis de la comunicación celular por biofotones fue muy criticada por no explicar cómo las células podían detectar señales fotónicas varios órdenes de magnitud más débiles que la iluminación de fondo natural. [26]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Popp FA (mayo de 2003). "Propiedades de los biofotones y sus implicaciones teóricas". Indian Journal of Experimental Biology . 41 (5): 391–402. PMID  15244259.
  2. ^ ab Cifra M, Brouder C, Nerudová M, Kučera O (2015). "Biofotones, coherencia y estadísticas de fotoconteo: una revisión crítica". Journal of Luminescence . 164 : 38–51. arXiv : 1502.07316 . Código Bibliográfico :2015JLum..164...38C. doi :10.1016/j.jlumin.2015.03.020. S2CID  97425113.
  3. ^ ab Takeda M, Kobayashi M, Takayama M, Suzuki S, Ishida T, Ohnuki K, et al. (agosto de 2004). "Detección de biofotones como una nueva técnica para la obtención de imágenes del cáncer". Cancer Science . 95 (8): 656–61. doi : 10.1111/j.1349-7006.2004.tb03325.x . PMC 11160017 . PMID  15298728. S2CID  21875229. 
  4. ^ Rastogi A, Pospísil P (agosto de 2010). "Emisión de fotones ultradébiles como herramienta no invasiva para el seguimiento de los procesos oxidativos en las células epidérmicas de la piel humana: estudio comparativo en el dorso y la palma de la mano". Investigación y tecnología de la piel . 16 (3): 365–70. doi :10.1111/j.1600-0846.2010.00442.x. PMID  20637006. S2CID  24243914.
  5. ^ Niggli HJ (mayo de 1993). "La irradiación artificial con luz solar induce emisión de fotones ultradébiles en fibroblastos de piel humana". Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology . 18 (2–3): 281–5. doi :10.1016/1011-1344(93)80076-L. PMID  8350193.
  6. ^ Bajpai R (2009). "Biofotones: una pista para desentrañar el misterio de la "vida"". En Meyer-Rochow VB (ed.). Bioluminiscencia en foco: una colección de ensayos esclarecedores . Vol. 1. Kerala, India: Research Signpost. págs. 357–385. ISBN 9788130803579.OCLC 497860307  .
  7. ^ Zarkeshian P, Kumar S, Tuszynski J, Barclay P, Simon C (marzo de 2018). "¿Existen canales de comunicación óptica en el cerebro?". Frontiers in Bioscience (Landmark Edition) . 23 (8): 1407–1421. arXiv : 1708.08887 . doi :10.2741/4652. PMID  29293442. S2CID  29847303.
  8. ^ Beloussov LV, Opitz JM, Gilbert SF (diciembre de 1997). "Vida de Alexander G. Gurwitsch y su importante contribución a la teoría de los campos morfogenéticos". The International Journal of Developmental Biology . 41 (6): 771–7, comentario 778–9. PMID  9449452.
  9. ^ ab Bennett M, Mehta M, Grant M (febrero de 2005). "Imágenes biofotónicas: un método no destructivo para analizar las respuestas de los genes R". Interacciones moleculares entre plantas y microbios . 18 (2): 95–102. doi :10.1094/MPMI-18-0095. PMID  15720077.
  10. ^ Yirka B (mayo de 2012). «La investigación sugiere que las células se comunican a través de biofotones» . Consultado el 26 de enero de 2016 .
  11. ^ Kobayashi M, Kikuchi D, Okamura H (julio de 2009). "Obtención de imágenes de la emisión espontánea de fotones ultradébiles del cuerpo humano que muestra un ritmo diurno". PLOS ONE . ​​4 (7): e6256. Bibcode :2009PLoSO...4.6256K. doi : 10.1371/journal.pone.0006256 . PMC 2707605 . PMID  19606225. 
  12. ^ Dotta BT, Saroka KS, Persinger MA (abril de 2012). "El aumento de la emisión de fotones desde la cabeza al imaginar luz en la oscuridad se correlaciona con cambios en la potencia electroencefalográfica: apoyo a la hipótesis del biofotón de Bókkon". Neuroscience Letters . 513 (2): 151–4. doi :10.1016/j.neulet.2012.02.021. PMID  22343311. S2CID  207135123.
  13. ^ Joines WT, Baumann SB, Kruth JG (2012). "Emisión electromagnética de humanos durante la intención enfocada". Revista de Parapsicología . 76 (2): 275–294.
  14. ^ Khaoua I, Graciani G, Kim A, Amblard F (febrero de 2021). "Optimización de la detectividad para detectar flujos de luz ultradébiles con un EM-CCD como matriz de contadores de fotones binarios". Scientific Reports . 11 (1): 3530. Bibcode :2021NatSR..11.3530K. doi :10.1038/s41598-021-82611-8. PMC 7878522 . PMID  33574351. 
  15. ^ Khaoua I, Graciani G, Kim A, Amblard F (mayo de 2021). "La concentración de luz estocástica de 3D a 2D revela quimioluminiscencia y bioluminiscencia ultradébil". Scientific Reports . 11 (1): 10050. Bibcode :2021NatSR..1110050K. doi :10.1038/s41598-021-88091-0. PMC 8113247 . PMID  33976267. 
  16. ^ Cilento G, Adam W (julio de 1995). "De radicales libres a especies excitadas electrónicamente". Free Radical Biology & Medicine . 19 (1): 103–14. doi :10.1016/0891-5849(95)00002-F. PMID  7635351.
  17. ^ Ursini F, Barsacchi R, Pelosi G, Benassi A (julio de 1989). "Estrés oxidativo en el corazón de rata, estudios sobre quimioluminiscencia de bajo nivel". Journal of Bioluminescence and Chemiluminescence . 4 (1): 241–4. doi :10.1002/bio.1170040134. PMID  2801215.
  18. ^ Kataoka Y, Cui Y, Yamagata A, Niigaki M, Hirohata T, Oishi N, Watanabe Y (julio de 2001). "La oxidación del tejido neural dependiente de la actividad emite fotones intrínsecos ultradébiles". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 285 (4): 1007–11. doi :10.1006/bbrc.2001.5285. PMID  11467852.
  19. ^ Boveris A, Cadenas E, Reiter R, Filipkowski M, Nakase Y, Chance B (enero de 1980). "Quimioluminiscencia de órganos: ensayo no invasivo para reacciones de radicales oxidativos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 77 (1): 347–51. Bibcode :1980PNAS...77..347B. doi : 10.1073/pnas.77.1.347 . PMC 348267 . PMID  6928628. 
  20. ^ Iniguez AL, Dong Y, Carter HD, Ahmer BM, Stone JM, Triplett EW (febrero de 2005). "Regulación de la colonización bacteriana endófita entérica por las defensas de las plantas". Molecular Plant-Microbe Interactions . 18 (2): 169–78. doi : 10.1094/MPMI-18-0169 . PMID  15720086.
  21. ^ Kobayashi M, Sasaki K, Enomoto M, Ehara Y (2006). "Determinación altamente sensible de la generación transitoria de biofotones durante la respuesta hipersensible al virus del mosaico del pepino en el caupí". Journal of Experimental Botany . 58 (3): 465–72. doi : 10.1093/jxb/erl215 . PMID  17158510.
  22. ^ Kobayashi K, Okabe H, Kawano S, Hidaka Y, Hara K (2014). "Emisión de biofotones inducida por choque térmico". PLOS ONE . ​​9 (8): e105700. Bibcode :2014PLoSO...9j5700K. doi : 10.1371/journal.pone.0105700 . PMC 4143285 . PMID  25153902. 
  23. ^ Gurwitsch AA (julio de 1988). "Una revisión histórica del problema de la radiación mitogenética". Experientia . 44 (7): 545–50. doi :10.1007/bf01953301. PMID  3294029. S2CID  10930945.
  24. ^ Wijk RV, Wijk EP (abril de 2005). "Una introducción a la emisión de biofotones humanos". Forschende Komplementärmedizin und Klassische Naturheilkunde . 12 (2): 77–83. doi :10.1159/000083763. PMID  15947465. S2CID  25794113.
  25. ^ Cifra M, Fields JZ, Farhadi A (mayo de 2011). "Interacciones celulares electromagnéticas". Progreso en biofísica y biología molecular . 105 (3): 223–46. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.003. PMID  20674588.
  26. ^ Kučera O, Cifra M (noviembre de 2013). "Señalización de célula a célula a través de la luz: ¿solo un fantasma de la casualidad?". Comunicación celular y señalización . 11 (87): 87. doi : 10.1186/1478-811X-11-87 . PMC 3832222. PMID  24219796 . 

Lectura adicional

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