Bioluminiscencia, la luz que diagnostica

Quien estudia la Bioluminiscencia sabe que es el mar quien nos ilumina.
Una fuente de luz viva, llegada directamente de la naturaleza, en la encrucijada entre la biomimética y la biotecnología, lista para revolucionar las más diversas esferas, desde las sociales hasta las científicas y médicas.

Qué es la bioluminiscencia

En concreto, y si nos atenemos a su definición, la bioluminiscencia es el proceso a través del cual los organismos vivos producen luz, dando como resultado una reacción bioquímica en la que comúnmente interviene una enzima llamada luciferasa.

Bioluminiscencia. Es la producción de luz de ciertos organismos vivos. El nombre es una palabra híbrida, originada del Griego bios que significa "vivo" y del Latín lumen que significa "luz". Es un fenómeno muy extendido en todos los niveles biológicos, principalmente en las especies marinas que viven en las profundidades.

Producción de la bioluminiscencia

La producción de bioluminiscencia en los animales es un proceso químico complejo en el que la oxidación de un sustrato de proteína luciferina es catalizado por la enzima luciferasa. La luciferina acompañada de la enzima luciferasa, la molécula energética ATP y el oxígeno genera la luz bioluminiscente.

La producción de bioluminiscencia en los animales es un proceso químico complejo en el que la oxidación de un sustrato de proteína luciferina es catalizado por la enzima luciferasa.

La combinación entre la luciferina y el oxígeno provoca la oxidación de la luciferina dando lugar a la oxiluciferina. Esta reacción necesita del ATP para generar moléculas de oxiluciferina en estado excitado.

Posteriormente los átomos de oxiluciferina vuelven a su estado fundamental generando luz visible. Esta reacción se produciría en todos los casos sin la necesidad de la presencia de la luciferasa, sin embargo en el mundo animal la bioluminiscencia debe producirse en cuestión de segundos ya que en la mayoría de casos se usa como sistema de defensa.

Por esa razón se requiere la enzima luciferasa que hace que la reacción sea mucho más rápida.

Formas de brillar

Brillo de una luciérnaga.
Las luciérnagas sintetizan la sustancia denominada luciferina que es oxidada con la ayuda de la enzima, la luciferasa. Esta reacción es altamente eficaz, prácticamente sin perdida de energía.

Brillo de una medusa.
Las medusas fluorescentes son probablemente el súmum de la sofiticación en bioluminiscencia. Poseen una proteína capaz de recibir luz de alta energía (normalmente en el rango del UV) denominada GFP (Green Fluorescence Protein) que emite fluourescencia en el rango de la luz verde.

Las medusas no son los únicos seres marinos bioluminiscentes, se cree que más del 90% de las especies animales de la porción media y abisal del océano emiten algún tipo de bioluminiscencia.

Tipos de bioluminiscencia

Bioluminiscencia intracelular.
La bioluminiscencia intracelular es generada por células especializadas del propio cuerpo de algunas especies pluricelulares o unicelulares (como dinoflagelados) y cuya luz se emite al exterior a través de la piel o se intensifica mediante lentes y materiales reflectantes como los cristales de urato de las luciérnagas o las placas de guanina de ciertos peces.

Este tipo de luminiscencia es propia de muchas especies de calamar y de dinoflagelados, en especial del género Protoperidinium.

Bioluminiscencia extracelular.
La bioluminiscencia extracelular se da a partir de la reacción entre la luciferina y la luciferasa fuera del organismo. Una vez sintetizados, ambos componentes se almacenan en glándulas diferentes en la piel o bajo esta.

La expulsión y consecuente mezcla de ambos reactivos en el exterior producen nubes luminosas. Este tipo de luminiscencia es común en bastantes crustáceos y algunos cefalópodos abisales.

Simbiosis con bacterias luminiscentes.
Este fenómeno se conoce sólo en animales marinos tales como los celentéreos, gusanos, moluscos, equinodermos y peces. Parece ser el fenómeno de luminiscencia de origen biológico más extendido en el reino animal. En diversos lugares del cuerpo los animales disponen de pequeñas vejigas, comúnmente llamadas fotóforos, donde guardan bacterias luminiscentes.

Algunas especies producen luz continua cuya intensidad puede ser neutralizada o modulada mediante diversas estructuras especializadas. Normalmente los órganos luminosos están conectados al sistema nervioso, lo que permite al animal controlar la emisión lumínica a voluntad.

Proteínas bioluminiscentes que actúan como herramientas bioquímicas en múltiples campos

Las proteínas bioluminiscentes son herramientas bioquímicas invaluables con aplicaciones en una amplia variedad de campos incluyendo los análisis de expresión de genes, descubrimiento de medicamentos, estudio de la dinámica de las proteínas y mapeo de las vías de traducción de señales. Las proteínas mayormente reportadas son las que ya hemos definido con anterioridad, las luciferasas, que permiten una detección de alta sensibilidad y poseen características peculiares como un alto rendimiento cuántico y ausencia de toxicidad cuando son expresadas en células o en organismos diferenciados. Se han llevado a cabo extensos estudios para alterar las propiedades de las proteínas fluorescentes, dejando como resultado proteínas mutantes con diferentes ondas de emisión. Las proteínas bioluminiscentes son una alternativa al uso de proteínas fluorescentes debido a su alta sensibilidad en los análisis de detección en muestras biológicas.

Imagenología por bioluminiscencia

En la imagenología por bioluminiscencia (BLI) se detecta la luz de células que expresan luciferasa en un modelo. Esto normalmente se logra mediante la implantación de células diseñadas para expresar luciferasa constitutivamente o el uso de animales transgénicos que expresan luciferasa en uno o más tejidos de interés. La emisión de luz de estas células o tejidos ocurre tras la inyección sistémica del sustrato de luciferasa, luciferina.

Bioluminiscencia para estudios de cáncer

Los últimos avances utilizan imagenología óptica y un gran panel de líneas celulares tumorales que expresan luciferasa para rastrear la carga tumoral en modelos tumorales ortotópicos, diseminados y metastásicos. Covance by LabCorp, soluciones médicas integrales, tiene la capacidad de diseñar sus propias líneas celulares o las líneas ceculares que sean necesarias para expresar luciferasa y usar en detección de BLI.

En concreto, Covance by Labcorp es una empresa especialista en ciencias de la vida, que proporciona servicios de investigación por contrato a las industrias farmacéutica, de dispositivos médicos y diagnósticos, protección de cultivos y química.

También tiene un acuerdo de licencia con Dana Farber Cancer Institute que le proporciona acceso a muchas líneas tumorales que expresan luciferasa validadas in vivo y caracterizadas, como:

• Glioma.
• Neuroblastoma.
• Leucemia.
• Linfoma.
• Mieloma múltiple.
• Próstata.
• Mama.
• Pulmón.
• Colorrectal.
• Modelos ortotópicos basados en luciferasa.
• Cerebro.
• Páncreas.
• Hígado.
• Ovárico.
• Renal.

Modelos metastásicos basados en luciferasa.
Los medios cuantitativos para evaluar la progresión y respuesta al tratamiento en modelos metastásicos son:

• Modelos de metástasis basados en inyección de células intracardíaca (por ej. al hueso) o intravenosa (por ej. al pulmón).
• Modelos de metástasis espontánea.
• Células implantadas en panículo adiposo mamario que metastatizan a ganglios linfáticos y pulmones.
• Modelos de tumores diseminados hematológicos basados en luciferasa.
• Mieloma múltiple.
• Linfoma.
• Leucemia.

La imagenología por bioluminiscencia es una excelente herramienta para cuantificar la progresión tumoral sistémica junto con tumores sólidos localizados, que ocurren en modelos tumorales hematológicos. La licencia de Covance, por ejemplo, para acceder a la gran variedad de paneles que expresan luciferasa del Dana Farber Cancer Institute les permite trabajar con muchos tipos de cáncer, incluso modelos hematológicos.

Pero hay mucho más detrás de la bioluminiscencia.

Capacidad de seguimiento de células.
Se puede hacer un seguimiento de las células usando la expresión del reportero de luciferasa. Por ejemplo, la terapias celulares, incluyendo focalización, distribución en tejidos y viabilidad se pueden estudiar in vivo.

Transgénicos reportadores de luciferasa.
Hay una variedad cada vez mayor de ratones transgénicos reportadores de luciferasa disponibles comercialmente. Con estos transgénicos se pueden hacer estudios moleculares con imagenología óptica in vivo en una variedad de estadios de la enfermedad.

Dentro de aplicaciones se han logrado crías de mamíferos con tejidos bioluminiscentes, y se habla de experimentar con plantas que tienen distintos propósitos como:

• Árboles luminosos, que podrían disponerse en espacios públicos, o alinearse en autopistas, para aumentar la seguridad y reducir la factura eléctrica pública.
• Árboles de Navidad que no requerirían iluminación artificial.
• Plantas con luz biológica que se iluminarían cuando necesitaran agua.
• Métodos para detectar la contaminación bacteriana de alimentos, por ejemplo: productos contaminados con E. coli, los cuales serían detectados al instante, debido a su luz biológica activada en presencia de la bacteria.
• Identificadores biológicos que podrían ser aplicados en todo tipo de organismos para su control y trazabilidad (incluidos los humanos).
• Detectores luminosos de determinadas especies bacterianas en entornos concretos.

La bioluminiscencia aplicada puede también servir como detector de contaminación de un medio viendo cómo afecta a la intensidad de la luz. Y más importante aún, en el campo de la medicina se puede introducir en tejidos para ver qué reacciones suceden y cómo en nuestro organismo, además de mostrar daños o roturas en estos tejidos.