Vatromet boja u mikro-svetu

U tajanstvenom sjaju prirode, mikroorganizmi kriju fascinantnu tajnu. Dok svet obeležava početak Nove godine velikim vatrometom, postoji skriveni spektakl koji se odvija na mikroskopskom nivou. Dobrodošli u svet luminiscentnih mikroorganizama, gde ovi minijaturni čarobnjaci boje prirodu na potpuno jedinstven način.

Za razliku od lampica na jelci koje svetle zahvaljujući struji, neki živi organizmi mogu u enzimski posredovanoj reakciji stvarati i emitovati svetlost što se naziva procesom bioluminiscencije. Mnogi organizmi pokazuju sposobnost bioluminiscencije kao npr. svici ali i mnogo sitniji poput nekih bakterija, gljiva, knidarija, anelida, artropoda.... Biolumuniscentne bakterije su one čiji genomi sadrže gene za enzim luciferazu (lux geni) koji ima glavnu ulogu u produkciji svetlosti. Reč luciferaza potiče od latinske reči lucifer što znači nosilac svetlosti, a u čijem se korenu nalaze reči lux - svetlost i ferre - nositi. Neke od bakterija sa luminiscentnim sposobnostima pripadaju rodovima: Aliivibrio, Photobacterium, Photorhabdus, Vibrio. Većina luminiscentnih bakterija su gram negativni (G-), nesporogeni, pokretni, hemoorganotrofni organizmi koji se mogu naći u morskim ekosistemima, dok se neki rodovi (npr. Photobacterium) mogu naći i na kopnu.

 

Evolutivna svrha bioluminiscencije različitih organizama najčešće se ogleda u privlačenju partnera ili zaštiti od predatora, kada luminiscencija služi kao znak upozorenja. ; Kod luminiscentnih bakterija, pre svega u vodenim sredinama, sposobnost luminiscencije olakšava privlačenje predatora ; u čijem će se digestivnom traktu nastaniti i na taj način omogućava lakši opstanak ovih bakterija.

Otkriće gena za luciferazu privuklo je pažnju brojnh naučnika koji su ove gene inkorporirali u genome drugih bakterija, a zatim i složenijih organizama. lux geni se primenjuju u oblasti molekularne biologije i genetike, kada se promena intenziteta emitovane svetlosti ; koristi kao marker za praćenje aktivnosti određenih gena ili signalnih puteva u ćeliji. Takođe, lux geni se mogu koristiti u ekotoksikologiji i farmaciji za konstrukciju biosenzora kada smanjenje emisije svetlosti iz ćelije ukazuje na oštećen metabolizam ćelije i toksičnost ispitivane supstance. Geni za luciferazu koriste se i u ispitivanjima tumorskih ćelija. U genom tumorske ćelije integrišu se geni za luciferazu, ćelije se injektuju u eksperimentalnu životinju i zatim se preko emisije svetlosti iz tumorskih ćelija procenjuje rast tumora ili odgovor na terapiju.

Pored lux gena, same luminiscentne bakterije mogu poslužiti kao senzitivni, a ipak lako dostupni i jeftini biosenzori. Naročito se koriste u ekološkim istraživanjima za praćenje koncentracije različitih zagađenja u vodi, kao i za praćenje stepena oporavka prethodno kontaminiranih ekosistema. Takođe, luminiscentne bakterije našle su primenu i u prehrambenoj industriji gde služe za detekciju toksičnih materija u prehrambenim proizvodima.

 

Luminiscentne bakterije mogu imati više životnih formi – slobodnoživeći organizmi u vodi ili ređe na kopnu, simbiotska forma, kada naseljavaju organe za stvaranje svetlosti ili digestivni sistem raznih morskih životinja… Jedan od poznatih primera ove simbioze je riba pecač (engl. anglerfish) koja poseduje svetlosni organ u vidu produžetka iznad glave na kome žive luminiscentne bakterije. Ove ribe žive na velikim dubinama, u oblastima stalnog mraka pa svetlost emitovanu od bakterija koriste kao mamac kako bi privukle plen. Slična simbioza je opisana i sa bobtail lignjom.

Slobodnoživeće luminiscentne bakterije lebde u vodenim ekosistemima. U određenim periodima godine, kada se uslovi savršeno poklope (obilje nutrijenata, odgovarajuća temperatura i pH sredina u vodi…), putem procesa quorum sensing dolazi do organizacije luminiscentniih bakterija u masovne zajednice. Svaka bakterija u ovom skupu, sinhronizovana sa drugima, počinje da ispoljava gen za luciferazu čime se stvara plavičast svetlosni efekat na površini mora. Ovaj prirodni spektakl poznat je i kao fenomen mlečnog mora i najčešće se viđa duž obale Indijskog okeana.

Iako su naučnici duboko zaronili i istražili svet bioluminiscentnih bakterija, neophodan je nastavak istraživanja ovih jedinstvenih mikroorganizama i načina kako oni utiču na kompleksan život u morskim dubinama i drugim ekosistemima. Za više informacija o ovoj temi predlažem da pogledate TEDEd snimak: ; https://www.ted.com/talks/leslie_kenna_the_brilliance_of_bioluminescence?utm_campaign=;tedspread&;utm_medium=;referral&;utm_source=;tedcomshare.

Autor: Milica Mladenović, CSNIRS

LITERATURA:

1. Dunlap P.V. (2009) Bioluminiscence, Microbial. Encyclopedia of microbiology, 45-61.

2. Meighen E.A. (1991) Molecular Biology of Bacterial Bioluminiscence, Microbial. Rev., vol.55, No.1.

3. Tekić T. (2019) Bioluminiscencijski reporterski geni i njihova primjena u razvoju lekova, Dipl. Rad.

4. Bazhenov S.V. et al (2023) Bacterial lux-biosensors: Constructing, applications, and prospects, Biosensors and Bioelectronics: X.

5. Mwinyihija M. (2009) An Overview of Selected Lux-Marked Biosensors and its Application as a Tool to Ecotoxicological Analysis, Biosensors: Properties, Materials and Applications, chapter 6.

6. Tanet L. (2009) Bacterial bioluminescence – ecology and impact in the biological carbon pump. Biogeosciences, vol. 17, issue 14.

7. Dunlap P.V., Urbanczyk H. (2013). Luminous Bacteria. In: Rosenberg, E., DeLong, E.F., Lory, S., Stackebrandt, E., Thompson, F. (eds) The Prokaryotes. Springer, str. 495-528.

8. Nwankwo CE, Chigor VN, Akani NP. (2019). Bacterial Bioluminescent Biosensors: Principle and Applications. Adv Biotechnol Microbiol. 15(1): 555901.