Pourquoi les lucioles et les coléoptères émettent de la lumière avec des couleurs différentes

Fireflies et certaines espèces de coléoptères ont des enzymes appelées luciférase, qui leur donnent la possibilité d'émettre de la lumière froide et visible (bioluminescence).

Les mêmes enzymes qui permettent lucioles émettent de la lumière de teinte jaune-vert au crépuscule, par exemple, provoque aussi la lumière pour produire la couleur rouge lorsqu'elles sont exposées à des environnements de pH acide à des températures élevées ou en présence de métaux lourds. Ils sont également responsables du fait coléoptères émettent de la lumière avec une large gamme de teintes, quel que soit le pH de l'environnement.

Des chercheurs de bioluminescence et biophotonique groupe de l'Université Fédérale de São Carlos (UFSCar), campus de Sorocaba, en collaboration avec un collègue de l'Université de Electro-Communications, le Japon, a dévoilé à travers une série de recherches soutenues par FAPESP, la mécanismes moléculaires qui rendent les enzymes luciférases émettent de la lumière de différentes couleurs dans les insectes bioluminescentes.

Les résultats ont été décrits dans un article publié dans la revue Biochimie, l'American Chemical Society (ACS).

"Malgré des décennies d'étude, les mécanismes moléculaires à l'origine du changement de couleur de la bioluminescence des lucioles et les coléoptères et la sensibilité de l'enzyme luciférase de lucioles à pH, la température et les métaux lourds étaient encore inconnus", a déclaré Vadim Viviani, professeur à UFSCar et premier auteur de l'article, l'Agence FAPESP. «Notre étude nous a permis de mieux comprendre maintenant comment luciférases produisent différentes couleurs de lumière," dit-il.

Selon l'enquêteur, les enzymes luciférases de lucioles dans la production de bioluminescence coléoptères et par catalyse de la réaction d'oxydation de la luciférine protéine - une molécule fluorescente qui, lorsqu'il est oxydé, il agit comme un émetteur de lumière.

En fonction du microenvironnement de la région où se produit la réaction d'oxydation de la luciférine (le site actif), la couleur de la lumière émise peut varier du vert au rouge, Viviani détaillée.

Grâce à des recherches menées ces dernières années, les chercheurs de UFSCar et d'autres universités et instituts de recherche dans le monde entier a constaté que deux des 550 acides aminés qui composent l'enzyme luciférase - Glutamato311 (E311) et Arginina337 (R337) - ont des charges électriques opposées: E311 a une charge positive et R337, charge négative.

Il y a quelques années, Viviani a une mutation dans le E311 d'acides aminés et, par conséquent réussi à changer la couleur de la lumière émise par l'enzyme luciférase de luciole du Brésil.

Déjà un groupe de chercheurs américains a récemment fait une mutation dans R337 acides aminés et a réussi à obtenir le même effet de changement de couleur de la lumière produite et identifiée qui, par coïncidence, l'E311 et les résidus R337 sont très proches dans la structure tridimensionnelle de la luciférase de lucioles.

"Ces résultats ont montré que ces deux acides aminés sont importants pour changer la couleur de la lumière émise par la luciférase, mais on ne savait pas jouer ce rôle dans la détermination de la couleur de bioluminescence", a déclaré Viviani.

Afin d'essayer de clarifier cette question, les chercheurs et les collaborateurs ont fait des mutations de E311 et R337 acides aminés, ce qui a entraîné le changement des charges électriques d'un ensemble de luciférases qui produisent différentes couleurs de bioluminescence, clonées par Viviani et son groupe sur le passé décennies.

À son tour, le professeur Takashi Irano, Université d'Electro-Communications, Japon, luciférine analogues synthétisés qui interagissent avec des parties spécifiques du site actif des enzymes luciférases testé.

Des mutations de deux acides aminés d'une luciférase obtenue à partir de luciole Macrolampis s2 - trouvés dans la forêt atlantique - qui ont fait l'objet de l'étudiant de thèse Aline Simões, le programme de la biotechnologie et de la surveillance environnementale UFSCar - a indiqué que, comme l'ont fait des charges électriques opposé, les acides aminés interagir électrostatiquement et fermer le site actif de l'enzyme.

Ainsi, le site actif de la luciférase devient hydrophobe (repousse l'eau), ce qui entraîne une augmentation de l'énergie lumineuse produite par l'enzyme, qui gagne ainsi le ton variable entre vert et bleu.

Etant donné que la perturbation de l'interaction de deux acides aminés par des changements dans la charge électrique d'un ou de changement de pH dans l'environnement dans lequel la luciférase est, par exemple, favorise l'ouverture du site actif de l'enzyme, permettant l'entrée d'eau.

"La lumière produite dans ces situations est moins d'énergie et prend une couleur rougeâtre," dit Viviani.

L'un des auteurs de l'étude - l'étudiant Vanessa Rezende Bevilaqua, candidat au doctorat en évolution programme de génétique et UFSCar de la biologie moléculaire, sous la direction du chercheur et la communion FAPESP - a constaté que la seule luciférase qui est de couleur naturelle rouge provenant du petit train larve ( Phrixotrix hirtus), R337 n'a pas l'acide aminé et n'a donc pas une charge positive.

Le manque de charge positive, qui autrement attirer la charge négative de l'acide aminé E311e bloquer le site actif, fait de la région ne se ferme pas droit et que la lumière émise par la luciférase est rouge.

Les résultats ont été corroborés par d'autres mutations dans les acides aminés faites par étudiant au doctorat à UFSCar Gabriele Gabriel et la modélisation de la structure tridimensionnelle des enzymes par l'étudiant Frederico Arnoldi, actuellement chercheur à la Fondation Boticário Groupe pour la protection de la nature.

"Ces résultats permettent d'expliquer comment les luciférases produisent différentes couleurs de lumière», a déclaré Viviani. "Cela ouvre la possibilité de mieux contrôler ces mécanismes pour créer luciférases par génie génétique qui ont des propriétés désirées pour diverses applications biotechnologiques, comme avec une nuance particulière de couleur ou de l'intensité lumineuse," dit-il.

applications biotechnologiques

enzymes luciférase et leurs substrats - luciférine - sont largement utilisés comme réactifs bioanalytique et des marqueurs de cellules dans des biocapteurs la pollution et la prospection des médicaments et des antibiotiques anticancéreux, parmi vaste gamme d'autres applications, a déclaré le chercheur.

La création de ces enzymes pour des applications biotechnologiques, cependant, a été prise au hasard par des mutations dans une protéine de partie pour obtenir une nouvelle enzyme mutante avec une couleur spécifique et une utilisation spécifique.

Ce processus a souvent abouti à une enzyme plus faible, qui a produit peu de lumière, a déclaré Vadim.

"Maintenant, pour mieux connaître le mécanisme derrière la sortie de lumière, vous pouvez faire des changements dans les enzymes pour changer la couleur de la lumière émise sans affecter les autres caractéristiques de leur luminescence," at-il dit.

Le groupe de recherche dirigé par lui à UFSCar déjà cloné, produite par génie génétique et étudié plus de 10 différents luciférases coléoptères bioluminescentes brésiliens, qui ont des couleurs différentes de propriétés de la lumière et luminescents.

«Nous sommes le groupe de recherche qui a cloné et étudié la plus grande variété de luciférases insectes dans le monde, y compris les trois familles de lucioles», a déclaré Viviani.

Clonage et modification apportée par le groupe de chercheurs brésiliens d'un luminescent larves enzyme luciférase colonisant le termite nids lucioles dans le Cerrado (termitilluminans Pyrearinus), qui montre bioluminescence plus bleu-vert et plus efficace entre les luciférases de coléoptères, a donné lieu à le développement d'un marqueur de cellules de mammifères par un groupe de chercheurs au Japon, avec laquelle il collabore.

Plusieurs autres luciférases de coléoptère clonées par le groupe sont également en cours de test pour le développement de biocapteurs et des marqueurs de cellules.

L'article «Glu311 et Arg337 stabilisent le site de conformation active fermée et fournir une base catalytique critique et pour bioluminesce contre-cation vert dans luciférases de coléoptère" (doi: 10.1021 / acs.biochem.6b00260) de Viviani et d'autres, peut être lu par les abonnés de Biochimie le magazine http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.biochem.6b00260.