Organismi luminosi Euphausia pacifica

Luminescenza: emissione di luce da parte di molecole senza specificarne la causa che la ha originata. Fotoluminescenza: conseguente all’assorbimento di luce da parte di una molecola (proteina) ed emissione, es. la fluorescenza. Chemiluminescenza: deriva da un processo chimico esoergonico che porta ad un prodotto in uno stato elettronicamente eccitato, il quale decade allo stato fondamentale emettendo fotoni. La bioluminescenza è sempre causata da un processo chimico ma avviene in organismi viventi ed è catalizzata da enzimi.

Organismi luminosi Batteri Dinoflagellati (alghe unicellulari) Radiolari (organismi unicellulari) Cnidari (meduse) Ctenofori (plancton gelatinoso) Nemertini Molluschi Nudibranchi (pochi) vongole (poche) calamaro (molti) Octopodi (pochi) Annelidi (molti) Polcheti Crustaci Copepodi Ostracodi Amfipodi Decapodi, Euphausiidi (krill) Chaetognati (arrow-worms; 1 specie) Echinodermi: stella di mare, cetriolo di mare, Hemichordati Urochordati Cordati: squali (alcuni) pesci (molti) Centopiedi Millepiedi Insetti: lucciole, maggiolino Funghi Collemboli Non esistono rettili, anfibi o mammiferi né piante da fiori luminosi

Organismi luminosi Batteri Nei batteri la bioluminescenza si associa al consumo di ossigeno; pertanto, l’emissione di luce avviene soltanto in condizioni di aerobiosi Vibrio harveyi

Fitoplancton : Dinoflagellati Pyrocystis fusiformis) Organismi luminosi Fitoplancton : Dinoflagellati Pyrocystis fusiformis) Kayak nella Baia luminescente di Porto Rico Noctiluca scintillans

Organismi luminosi Zooplancton Tuscaridium cygneum Radiolari Tomopteris nisseni Organismi luminosi Zooplancton Radiolari Tuscaridium cygneum (colonie, diam. 1,2 cm)

(Meduse, plancton gelatinoso) Periphylla periphylla Tomopteris nisseni Organismi luminosi Cnidari (Meduse, plancton gelatinoso) Scyphozoaires Periphylla periphylla

Organismi gelatinosi, taglia di qq cm a 1m Organismi luminosi Ctenofori Organismi gelatinosi, taglia di qq cm a 1m Thalassocalyce inconstans Beroe forskalii  (~10 cm) Deiopea sp.

Organismi luminosi Molluschi Cefalopodi Cranchia sp. Pholas dactylus o dattero di mare - 8 a 12 cm Vampyroteuthis infernalis Phylliroe sp.

(Gli unici organismi ad emettere luce gialla) Tomopteris nisseni Organismi luminosi Annelidi policheti Tomopteris sp. (Gli unici organismi ad emettere luce gialla)

Gigantocypris agassizii Organismi luminosi Crostacei copepodi Ostracodi Gigantocypris agassizii (Qqs mm) Gaussia princeps

Caocosagitta macrocephala Tunicati Chetognati (taglia di qqs. mm) Pyrosoma tuberculata Caocosagitta macrocephala Colonie de salpe

Myctophides (pesce lanterna) pesci-accetta Pesci ~3 cm Myctophides (pesce lanterna)

controllo per via nervosa Stimolazione Emissione spontanea batteri Stimolazione meccanica (rimescolamento dell’acqua) captata dalla membrana cellulare dinoflagellati controllo per via nervosa copepodi

Ghiandole luminose caudali su un copepode Organi luminosi unità scintillanti (0.5 µm, dinoflagellati) Cellule secretrici (crustacei, alcuni pesci) Ghiandole luminose caudali su un copepode Fotociti (meduse, ctenofori), emettono luce anche in assenza di O2

Green fluorescent protein producevano una brillante luce fosforescente di colore verde quando essa veniva irradiata con luce ultravioletta ad onda lunga. Nel 1962, Shimomura et al. descrivevano un estratto proteico della medusa che poteva produrre questa fluorescenza. Morin e Hastings, individuarono la stessa proteina nove anni dopo. Questa proteina, ora chiamata Green Fluorescent Protein (GFP), è stata studiata per molti anni, ma solo con il clonaggio del gene gfp di A. victoria, l'interesse del mondo scientifico nei suoi confronti è aumentato enormemente. A tutto il 1998, almeno 500 lavori scientifici sono stati pubblicati con il termine GFP nei loro titoli o parole chiave. Negli ultimi 3 anni, numerosi ricercatori hanno usato GFP per marcare proteine, cellule ed organismi in un ampio repertorio di specie procariotiche ed eucariotiche, con l'intento di investigare su problemi fondamentali di biologia cellulare, biologia dello sviluppo, neurobiologia ed ecologia. La proteina è intrinsecamente affascinante ed i ricercatori hanno cercato di capirne la struttura, le proprietà di fluorescenza ed il biochimismo. L'utilità della GFP come marcatore biologico deriva dal fatto che l'emissione di luce fluorescente da parte della proteina non richiede l'aggiunta di co-fattori. Questa caratteristica rende la molecola come un discreto indicatore sulla posizione della proteina nelle cellule, anzi, l'uso della GFP come "etichetta mobile" suggerisce che la proteina non altera la normale funzione o localizzazione del partner ad essa fuso. Dal momento che permeabilizzazioni atte a favorire l'entrata di substrati o fissazioni cellulari varie non sono necessarie per localizzare la proteina, gli organelli e le cellule marcate con essa possono essere esaminati in tessuti viventi consentendo ai biologi di studiare la dinamica dei processi cellulari e di sviluppo (monitoraggio di eventi molecolari). GFP è un monomero di 27 kD composto da 238 amminoacidi e che soltanto una piccola regione interna della proteina, detta cromoforo, è responsabile dell'emissione di fluorescenza. La proteina presenta il picco maggiore di eccitazione a 395 nm (luce ultravioletta) ed un picco minore a 475 nm (luce blu). Il picco di emissione è di 508 nm (luce verde). GFP è molto resistente al calore (fino a 65°C in tamponi neutri), al pH alcalino, ai solventi organici ed alle più comuni proteasi, ad eccezione della pronasi. La fluorescenza viene persa quando GFP è denaturata da alte temperature, pH estremi o agenti fortemente denaturanti; può essere in parte recuperata se si permette alla proteina di rinaturare. cromoforo Aequorea victoria

Fotofori (eufasiacei, piovra, pesci) Organi luminosi Fotofori (eufasiacei, piovra, pesci) Disposizione dei fotofori sui eufasiacei : 2 sui peduncoli oculari (non visibli su questa foto), 3 paia sul toreace, 4 sull’addome Fotoforo della piovra Abralia trigonura (Modifié de Young, R. E. and J. M. Arnold. 1982. Malacologia)

Organi luminosi Organi luminosi contenenti batteri luminescenti (pesci e cefalopodi) Intracellulari o simbionti raggruppati in un organo

Ruolo della bioluminescenza Fuga (accecare il predatore) mimetismo (contro illuminazione)

Having Photophores Is Adaptive ! Squid Without Photophores Squid With Photophores

Ruolo della bioluminescenza nutrimento (esche) Comunicazione

scopo riproduttivo. Maschi e femmine di una stessa specie, per riconoscersi emettono luce ad intermittenza. Succede così nell’anellide marino del genere Odontosyllis, in cui sia il maschio che la femmina sono luminescenti durante il periodo dell’accoppiamento. Questi, raggiunte le acque superficiali dopo il tramonto e solo nelle notti di luna piena, emettono uova e spermi in una danza che vede la femmina tracciare dei cerchi luminosi con luce continua e il maschio raggiungerla emettendo dei segnali intermittenti. Alla minima interruzione del segnale luminoso da parte della femmina, il maschio disorientato non la riconosce più. Solo alla ripresa del segnale luminoso il maschio ricomincerà ad emettere i gameti (spermi).

I Bacteri si parlano con la bioluminescenza Fenomeno noto come “density dependant signalling” o “quorum sensing” Scoperto in Vibrio fischeri, è comune in molti altri Gram – i Gram + hanno sviluppato un proprio “quorum sensing”, basato su una famiglia di peptidi Ad alta densità cellulare i geni specifici della luminescenza: ON A bassa densità cellulare i geni specifici della luminescenza: OFF

Induction of bioluminescence in Vibrio fischeri 3 growth OD600 nm 2 bioluminescence 1 10 30 40 Time (h)