Biolumineszierende Organismen haben sich im Laufe der Lebensgeschichte Dutzende Male entwickelt. Welche Biochemie wird benötigt, um die Dunkelheit zu erhellen? Verschiedene Studien widmen sich diesem Thema. Tauchen Sie tief genug in die Tiefen des Ozeans ein, und Sie werden nicht Dunkelheit, sondern Licht sehen. 90% der Fische und Meereslebewesen, die in Tiefen von 100 oder sogar 1000 Metern gedeihen, können ihr eigenes Licht erzeugen. Taschenlampenfische jagen und kommunizieren mit einer Art Morsecode, der von Lichttaschen unter den Augen gesendet wird. Fische der Familie Platytroctidae schießen mit glühender Tinte auf ihre Angreifer. Beilfische machen sich unsichtbar, indem sie Licht in ihren Bauch emittieren, um absteigendes Sonnenlicht zu simulieren. Raubtiere schauen sie an und sehen nur ein kontinuierliches Leuchten.
Wissenschaftler haben Tausende von biolumineszierenden Organismen im gesamten Lebensbaum indiziert und erwarten, dass sie weitere hinzufügen. Sie haben sich jedoch lange gefragt, wie die Biolumineszenz zustande kam. Wie kürzlich veröffentlichte Studien zeigen, haben Wissenschaftler bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Ursprünge der Biolumineszenz erzielt - sowohl evolutionär als auch chemisch. Neue Erkenntnisse könnten es eines Tages ermöglichen, die Biolumineszenz in der biologischen und medizinischen Forschung einzusetzen.
Eine der langjährigen Herausforderungen besteht darin, festzustellen, wie oft eine einzelne Biolumineszenz aufgetreten ist. Wie viele Arten kamen unabhängig voneinander zu ihr?
Während einige der bekanntesten Beispiele für Licht in lebenden Organismen terrestrisch sind - denken Sie beispielsweise an Glühwürmchen - fanden die meisten evolutionären Ereignisse im Zusammenhang mit Biolumineszenz im Ozean statt. Biolumineszenz ist bei allen Landwirbeltieren und Blütenpflanzen praktisch und offensichtlich nicht vorhanden.
In den Tiefen des Ozeans bietet Licht Organismen eine einzigartige Möglichkeit, Beute anzuziehen, zu kommunizieren und sich zu verteidigen, sagt Matthew Davis, Biologe an der Saint Cloud State University in Minnesota. In einer im Juni veröffentlichten Studie stellten er und seine Kollegen fest, dass Fische, die Licht verwenden, um zu kommunizieren und Werbung zu signalisieren, besonders häufig sind. Über einen Zeitraum von etwa 150 Millionen Jahren - nach evolutionären Maßstäben nicht lange - haben sich solche Fische in mehr Arten als andere Fische verbreitet. Biolumineszierende Arten, die ihr Licht ausschließlich zur Tarnung verwendeten, waren dagegen nicht so vielfältig.
Heiratsignale können relativ einfach geändert werden. Diese Veränderungen können wiederum zu Untergruppen in der Population führen, die sich schließlich in einzigartige Arten aufteilen. Im Juni veröffentlichten Todd Oakley, ein Evolutionsbiologe an der University of California in Santa Barbara, und eine seiner Studenten, Emily Ellis, eine Studie, die zeigte, dass Organismen, die Biolumineszenz als Paarungssignale verwenden, viel mehr Arten und eine schnellere Artenakkumulationsrate aufweisen als ihre nahen Verwandten, die kein Licht verwenden. Oakley und Ellis untersuchten zehn Gruppen von Organismen, darunter Glühwürmchen, Tintenfische, Haie und winzige Arthropoden, Ostrakoden.
Die Forschung von Davis und seinen Kollegen beschränkte sich auf Rochenfische, die etwa 95% der Fischarten ausmachen. Davis berechnete, dass sich die Biolumineszenz selbst in dieser einen Gruppe mindestens 27-mal entwickelte. Stephen Haddock, Meeresbiologe am Monterey Bay Aquarium Research Institute und Experte für Biolumineszenz, schätzte, dass die Biolumineszenz unter allen Lebensformen unabhängig voneinander mindestens 50 Mal auftrat.
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Viele Möglichkeiten zum Zünden
In fast allen leuchtenden Organismen erfordert die Biolumineszenz drei Inhaltsstoffe: Sauerstoff, das lichtemittierende Pigment Luciferin (vom lateinischen Wort lucifer, was „Licht tragen“bedeutet) und das Enzym Luciferase. Wenn Luciferin über Luciferase mit Sauerstoff interagiert, bildet es eine angeregte, instabile Komponente, die das Set emittiert und in einen Zustand niedrigerer Energie zurückkehrt.
Seltsamerweise gibt es weit weniger Luciferine als Luciferase. Obwohl Arten dazu neigen, eine einzigartige Luciferase zu haben, haben sehr viele das gleiche Luciferin. Nur vier Luciferine sind für die Erzeugung des größten Teils des Lichts im Ozean verantwortlich. Von den fast 20 Gruppen von Biolumineszenzorganismen auf der Welt emittieren neun Licht von Luciferin, genannt Coelenterazin.
Es wäre jedoch ein Fehler zu glauben, dass alle Coelenterazin-haltigen Organismen von einem leuchtenden Vorfahren abstammen. Wenn dies der Fall wäre, warum würden sie dann ein so breites Spektrum an Luciferase entwickeln, fragt Warren Francis, Biologe an der Ludwig-Maximilians-Universität in München. Vermutlich sollte das erste Paar Luciferin-Luciferase überlebt und sich vermehrt haben.
Es ist auch wahrscheinlich, dass viele dieser Arten selbst kein Coelenterazin produzieren. Stattdessen beziehen sie es aus ihrer Ernährung, sagt Yuichi Oba, Professor für Biologie an der Chubu-Universität in Japan.
Im Jahr 2009 entdeckte ein von Oba geführtes Team, dass ein Tiefseekrebstier (Copepoden) - ein winziges, weit verbreitetes Krebstier - sein Coelenterazin herstellte. Diese Krebstiere sind eine äußerst reichliche Nahrungsquelle für eine Vielzahl von Meerestieren - so häufig, dass sie in Japan als "Reis im Ozean" bezeichnet werden. Er glaubt, dass diese Krebstiere der Schlüssel zum Verständnis sind, warum so viele Meeresorganismen biolumineszierend sind.
Beide und seine Kollegen nahmen Aminosäuren, die angeblich die Bausteine von Coelenterazin sind, markierten sie mit einem molekularen Marker und luden sie in Lebensmittel für Copepoden. Dann fütterten sie Krebstiere im Labor mit diesem Futter.
Nach 24 Stunden extrahierten die Wissenschaftler das Coelenterazin aus den Krebstieren und betrachteten die Marker, die hinzugefügt wurden. Offensichtlich waren sie überall - was der ultimative Beweis dafür war, dass Krebstiere Luciferinmoleküle aus Aminosäuren synthetisierten.
Selbst die Quallen, die Coelenterazin zum ersten Mal entdeckten (und nach denen sie benannt wurden), produzieren kein eigenes Coelenterazin. Sie erhalten ihr Luciferin, indem sie Krebstiere und andere kleine Krebstiere essen.
Geheimnisvolle Ursprünge
Wissenschaftler haben einen weiteren Hinweis gefunden, der die Popularität von Coelenterazin bei Tiefseetieren erklären könnte: Dieses Molekül kommt auch in Organismen vor, die kein Licht emittieren. Seltsam fand dies Jean-François Ries, Biologe an der Katholischen Universität Leuven in Belgien. Es ist überraschend, dass „so viele Tiere auf dasselbe Molekül angewiesen sind, um Licht zu produzieren“, sagt er. Vielleicht hat Coelenterazin neben der Lumineszenz noch andere Funktionen?
In Experimenten mit Rattenleberzellen zeigte Reese, dass Coelenterazin ein starkes Antioxidans ist. Seine Hypothese: Coelenterazin hat sich möglicherweise zuerst unter Meeresorganismen verbreitet, die in Oberflächengewässern leben. Dort könnte das Antioxidans den notwendigen Schutz gegen die oxidativen Wirkungen von schädlichem Sonnenlicht bieten.
Als diese Organismen anfingen, tiefere Meeresgewässer zu besiedeln, wo der Bedarf an Antioxidantien geringer ist, war die Fähigkeit von Coelenterazin, Licht zu emittieren, praktisch, schlug Reese vor. Im Laufe der Zeit haben Organismen verschiedene Strategien entwickelt - wie Luciferase und spezialisierte Lichtorgane -, um diese Qualität zu verbessern.
Wissenschaftler haben jedoch nicht herausgefunden, wie andere Organismen, nicht nur die Oba-Copepoden, Coelenterazin herstellen. Die Gene, die für Coelenterazin kodieren, sind ebenfalls völlig unbekannt.
Nehmen Sie zum Beispiel Kammgelee. Diese uralten Meerestiere - von einigen als der erste Zweig des Tierbaums angesehen - werden seit langem verdächtigt, Coelenterazin zu produzieren. Aber niemand konnte dies bestätigen, geschweige denn spezifische genetische Anweisungen bei der Arbeit identifizieren.
Letztes Jahr wurde jedoch berichtet, dass eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Francis und Haddock auf ein Gen gestoßen ist, das an der Synthese von Luciferin beteiligt sein könnte. Zu diesem Zweck untersuchten sie die Transkriptome von Ctenophoren, die Momentaufnahmen der Gene sind, die ein Tier zu einem bestimmten Zeitpunkt exprimiert. Sie suchten nach Genen, die für eine Gruppe von drei Aminosäuren kodiert waren - dieselben Aminosäuren, die Oba seinen Copepoden zugeführt hatte.
Unter 22 Arten von biolumineszierenden Ctenophoren haben Wissenschaftler eine Gruppe von Genen gefunden, die ihren Kriterien entsprechen. Dieselben Gene fehlten bei zwei anderen nicht lumineszierenden Ctenophorspezies.
Neue Welt
Der genetische Mechanismus der Biolumineszenz findet außerhalb der Evolutionsbiologie Anwendung. Wenn Wissenschaftler die Gene für Luciferin- und Luciferase-Paare isolieren können, könnten sie aus dem einen oder anderen Grund möglicherweise Organismen und Zellen zum Leuchten bringen.
1986 modifizierten Wissenschaftler der University of California in San Diego das Glühwürmchen-Luciferase-Gen und bauten es in Tabakpflanzen ein. Die Studie wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht und zeigt eine dieser Pflanzen, die unheimlich vor einem dunklen Hintergrund leuchtet.
Diese Pflanze produziert selbst kein Licht - sie enthält Luciferase. Damit dieser Tabak jedoch leuchtet, muss er mit einer luciferinhaltigen Lösung bewässert werden.
Dreißig Jahre später konnten Wissenschaftler mithilfe der Gentechnik immer noch keine selbstleuchtenden Organismen erzeugen, da sie die Biosynthesewege für die meisten Luciferine nicht kennen. (Die einzige Ausnahme wurde bei Bakterien gefunden: Wissenschaftler konnten die Glühgene identifizieren, die für das bakterielle Luciferin-Luciferase-System kodieren. Diese Gene müssen jedoch modifiziert werden, um für jeden nicht-bakteriellen Organismus nützlich zu sein.)
Eine der größten potenziellen Anwendungen von Luciferin und Luciferase in der Zellbiologie besteht darin, sie als Zwiebeln in Zellen und Gewebe einzubauen. Diese Art von Technologie wäre nützlich, um den Zellort, die Genexpression und die Proteinproduktion zu verfolgen, sagt Jennifer Prescher, Professorin für Chemie an der University of California in Irvine.
Die Verwendung von Biolumineszenzmolekülen wird ebenso nützlich sein wie die Verwendung eines fluoreszierenden Proteins, das bereits zur Überwachung der Entwicklung von HIV-Infektionen, zur Visualisierung von Tumoren und zur Verfolgung von Nervenschäden bei Alzheimer verwendet wird.
Derzeit müssen Wissenschaftler, die Luciferin für Bildgebungsexperimente verwenden, eine synthetische Version davon erstellen oder sie für 50 USD pro Milligramm kaufen. Das Einbringen von Luciferin von außen in die Zelle ist ebenfalls schwierig - es wäre kein Problem, wenn die Zelle ihr eigenes Luciferin herstellen könnte.
Die Forschung geht weiter und definiert schrittweise evolutionäre und chemische Prozesse, wie Organismen Licht produzieren. Aber der größte Teil der Biolumineszenzwelt ist immer noch im Dunkeln.
Ilya Khel
