Podvodní ohňostroj

Bioluminiscence, tedy proces produkce a emise studeného světla živými organismy, se může uplatnit v základním výzkumu, v neinvazivním biologickém zobrazování, vývoji biosenzorů, v léčbě nádorových onemocnění i v konstrukci ekologicky šetrných zdrojů světla s nulovou spotřebou elektřiny.

Bioluminisc enční druhy byly dosud nalezeny v nejméně 700 rodech organismů, patřících do široké škály evolučních linií: bakterie, obrněnky, členovci, měkkýši, kroužkovci, ostnokožci, pláštěnci nebo obratlovci (z nich pouze ryby). Velké množství světélkujících druhů obývá mořská stanoviště (schopnost bioluminiscence mají asi tři čtvrtiny jedinců pozorovaných ve vodním sloupci).

Proteinové katalyzátory, které organismům umožňují generovat světlo biochemickou přeměnou malých, vysoce energetických organických molekul, tzv. luciferinů, se označují jako luciferázy. Celebritou mezi světélkujícími enzymy je nanoluciferáza, která si podmanila vědecký svět svojí „maličkostí“ a vysokou zářivostí. Až donedávna jsme netušili, jak nanoluciferáza vypadá a jak generuje světlo. Jsme rádi, že náš výzkum mohl přispět k pochopení struktuře a funkci tohoto neobyčejného enzymu, a pokračovat tak v psaní fantastického vědecko-technologického příběhu.

Dravá ryba Chauliodes danae a její kořist, kreveta Oplophorus gracilirostris. Kreveta se snaží zastrašit rybu pomocí modře světélkujícího sekretu, aby získala cenný čas na úprk do bezpečí. Jedná se o grafickou fotomontáž.

Snímky Zuzana Musilová (ryba) a NOAA Photo Library, CC BY 2.0 (kreveta)

Příběh nanoluciferázy

Jedním z velice zajímavých bioluminiscenčních tvorů je hlubokomořská kreveta Oplophorus gracilirostris, která taxonomicky patří k desetinohým korýšům (Decapoda). Když na ni dostane nějaká dravá ryba chuť, umí kreveta na obranu vystříknout vysoce viskózní sekret, který se záhy promění v ohromující podvodní světelnou show (obr. 1, 3 a 7). Zatímco je ryba zaskočena a ohromena ohňostrojem, kreveta získává cenný čas k úniku. Bioluminiscenci této krevety začal detailně studovat již v sedmdesátých letech 20. století Osamu Šimomura, japonský chemik a mořský biolog, který zasvětil svůj život studiu molekulárních principů bioluminiscence. Mimo jiné objevil zelený fluorescenční protein a r. 2008 dostal za svou práci Nobelovu cenu za chemii. Profesor Šimomura a jeho následovníci studovali světélkující krevetí substanci a podařilo se jim identifikovat a izolovat luciferázu, odpovědnou za produkci světla. Tato luciferáza katalyzuje oxidaci nejběžnějšího mořského luciferinu (biologického pigmentu, který je schopen emitovat energii v podobě světla) známého pod názvem koelenterazin. Produktem této biochemické reakce je oxidovaná forma luciferinu, koelenteramid, oxid uhličitý a foton viditelného modrého světla (obr. 2). Na struktuře krevetí luciferázy se podílejí dvě složky, tzv. malé a velké podjednotky, které společně vytvářejí komplexní kvartérní strukturu. Biochemické experimenty prokázaly, že luciferázovou reakci (světélkování) katalyzuje pouze malá podjednotka, čítající pouhých 170 aminokyselin, která je ovšem samostatně velmi nestabilní a nerozpustná, a tedy biotechnologicky a biomedicínsky témeř nepoužitelná.