Muchas veces cuando escuchamos la palabra “luz” de forma inmediata pensamos en una lámpara, en el sol o en alguna fuente eléctrica que la genere. Pero la luz no solo proviene de las estrellas, de tu computadora, del televisor, del celular o de las lámparas que alumbran las calles y los hogares por las noches.
Existen en nuestro mundo organismos vivos que tienen la capacidad de producir su propia luz, esto es debido a ciertos tipos de moléculas que poseen características estructurales que les permiten producir un fenómeno al cual denominamos fluorescencia.
La fluorescencia es una propiedad que poseen algunas moléculas la cual consiste en absorber luz de una fuente externa, siendo la luz ultravioleta (UV) lo más común, para posteriormente emitir la luz absorbida como un tipo de luz diferente la cual presenta una longitud de onda más larga, es decir luz visible (la que podemos percibir con nuestros ojos). Algunas de la moléculas que poseen esta característica son las proteínas fluorescentes.
Organismos Bioluminiscentes
En nuestro planeta se encuentran diferentes especies de animales, plantas, hongos y bacterias capaces de producir su propia luz, a todos estos organismos los conocemos como bioluminiscentes por esta cualidad tan peculiar. Sin embargo, la gran mayoría de estos organismos son habitantes de las profundidades de los océanos.
Pero te preguntaras, ¿Para qué utilizan esta propiedad de producir luz? pues bien, muchos de estos organismos utilizan la bioluminiscencia para atraer pareja, como camuflaje o como señal de alarma e incluso como anzuelo para atraer presas, como es el caso del pez Melanocetus johnsoni que utiliza su antena bioluminiscente con dicho propósito.
Otro ejemplo es la medusa Aequorea victoria, la cual produce un resplandor de color verde cuando ésta es sacudida.
¿Pero cómo estos organismos producen luz?
Esto es a causa de una reacción química. En el año de 1887 el científico Frances Raphael Dubois al trabajar con el molusco Pholas dactylus encontró a las moléculas responsables de su bioluminiscencia. Estas moléculas están formadas por dos proteínas, las cuales funcionan en conjunto, una de ellas actúa como enzima de activación de la segunda. Basándose en la palabra Lucifer que significa “portador de luz”, le asignó el nombre de Luciferasa a la proteína (enzima) activadora y luciferina a la proteína que producía el resplandor.
Este descubrimiento ayudó a otros científicos a encontrar los sistemas por medio de los cuales se producía la bioluminiscencia en varios organismos y posteriormente a las moléculas identificadas se les encontró aplicación en biomedicina.
Proteínas Fluorescentes
Entre los científicos más destacados en los estudios de la bioluminiscencia en organismos se encuentra el premio Nobel de Química del 2008, el Dr. Osamu Shimomura (Osaka, Japón), quien es un ejemplo de lucha contra la adversidad, justo después de la segunda guerra mundial recibió su título en 1951 de la licenciatura en ciencias farmacéuticas en la entonces desvastada Universidad de Nagasaki, recordemos que Nagasaki fue una de las dos ciudades Japonesas en donde explotó una bomba atómica, y el joven Shimomura prácticamente fue autodidacta, ya que los pocos profesores que sobrevivieron a la guerra eran inexpertos.
El Dr. Shimomura a sus 27 años observó por primera vez el fenómeno de bioluminiscencia en un crustáceo Cypridina hilgendorfii (luciérnaga marina, no más grande que una semilla de ajonjolí), utilizada por los japoneses durante la segunda guerra mundial para iluminar sus mapas. El Dr. Shimomura bajo la asesoría de su mentor, el Profesor Yoshimassa Hirata, finalmente logró aislar de este crustáceo, la molécula responsable de la bioluminiscencia.
Este descubrimeinto le permitió tanto la obtención su grado de Doctor en Ciencias por la Universidad de Nagoya, Japón y además le permitió ingresar al equipo de trabajo del Dr. Frank Johnson en la Universidad de Princeton (New Jersey, USA), con quien comenzó a estudiar a la medusa Aequora victoria (la que se mencionó anteriormente), que presenta un destello bioluminiscente de color verde.
El resultado de aquella investigación rindió frutos cuando lograron aislar a dos proteínas, la primera a la que denominaron Aequorina que brindaba un destello azul en presencia de calcio (Ca+2) y la segunda que producía luz de color verde al recibir una haz de luz en el rango del UV; ésta es conocida como “Proteína verde fluorescente” (GFP por sus siglas en inglés).
Poco después, el Dr. Shimomura y otros investigadores se percataron de la relación existente entre ambas proteínas. La Aequorina activada por el Ca+2 presente en las aguas marinas producía luz azul, la cual es captada por la proteína GFP produciendo fluorescencia verde. Entendiendo así como es que la medusa produce su propia bioluminiscencia.
El Dr. Shimomura no imaginó el gran impacto que generaría este descubrimiento, ya que estas proteínas son utilizadas hoy en día en el área de la biomedicina como marcadores de moléculas muy útiles, los cuales nos permiten explorar diferentes eventos biológicos en diversos tipos de células.
Otros colores de proteínas
La proteína verde fluorescente (GFP) ha sido muy importante por lo que los científicos continúan trabajando con ella. La primer innovación fue potencializar la fluorescencia producida por la proteína, modificando algunos de sus aminoácidos con lo cual se consiguió aumentar la intensidad de la luz producida y mejorar su estabilidad (es decir que durará mas tiempo), el resultado de este trabajo fue la EGFP (Enhanced Green Fluorescent Protein).
Hoy en día con la manipulación de proteínas se ha obtenido una amplia gama de colores derivadas de la GFP original, cubriendo la mayoría de las longitudes de onda del espectro de luz visible (todos los colores del arcoiris prácticamente).
Además, de que el esfuerzo en esta área de investigación ha permitido encontrar y aislar proteínas fluorescentes de diferentes colores provenientes de corales, medusas y otros organismos, tal es el caso de la DsRed, proteína fluorescente proveniente del coral falso Discosoma sp.
Proteínas fluorecentes y biomedicina
Las proteínas fluorescentes fueron utilizadas por primera vez en bacterias y a partir de ellas se comenzaron a utilizar en plantas, células de mamíferos y en hongos. Las proteínas fluorescentes son utilizadas como marcadores biológicos para el estudio de la cinética e interacción de otras proteínas implicadas en diversos fenómenos dentro de los organismos, pero la gran ventaja que poseen estos marcadores, es que nos permiten monitorear dichos eventos in vivo, lo que ningún otro marcador molecular visual puede realizar.
De hecho, actualmente se pueden marcar órganos (como el corazón o el cerebro) de animales para entender procesos durante el desarrollo de un órgano en un individuo vivo. Un ejemplo de ello es el poder marcar proteínas de las neuronas, lo que permite observar y estudiar los diferentes procesos que ésta lleva a cabo mientras está viva.
Lo mejor de este tipo de marcadores es que no afectan a la función de la proteína a la que se unieron, además de no necesitar moléculas o medios especiales para activarse, solo basta con pasar un haz de luz de la longitud de onda necesaria.
En estudios de biología molecular, estas proteínas fluorescentes han permitido estudiar la interaccion de proteínas que se encuentran a una distancia menor de 12 Å de separación (1 Å, Armstrong es una unidad de longitud, equivalente a la diez mil millonésima parte del metro, 0.000,000,000,1 metros).
En conclusión, la naturaleza nos sorprede con moléculas que realizan funciones extraordinadias como las proteínas fluorescentes y que son una fuente de luz para el conocimiento cientifico.
Para saber Más:
Shimomura O. et al. 1962. Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea. J. Cell. Comp. Physiol. 59: 223-239.
Lucas J.J. 2009. El descubrimiento de las proteínas fluorescentes y su utilidad en la investigación biomédica (Premio Nobel de Química de 2008) An R. Acad. Nac. Farm., 75 (1): 99-212.
https://www.analesranf.com/index.php/aranf/article/viewFile/925/908
Posada-Swafford A. 2014. Osamu Shimomura y la medusa de cristal. ¿Cómo ves?, 187:10-14.
http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/187/osamu-shimomura-y-la-medusa-de-cristal
Dr. Víctor Meza Carmen (Izquierda) es Profesor-Investigador adscrito al Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, ambos de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
David Vargas Tejeda (Derecha) fue alumno de la licenciatura de Químico Farmacobiología y se graduó mediante su trabajo de tesis tratando de implementar herramientas celulares para la observación de proteínas fluorescentes en un sistema fúngico.
