Por qué las luciérnagas y otros coleópteros emiten luz de colores distintos

Científicos develan los mecanismos moleculares que hacen que las luciferasas emitan luz en tonos de verde-amarillo en luciérnagas y cocuyos y rojos en escarabajos luminiscentes

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Las luciérnagas y cocuyos y algunas especies de escarabajos poseen enzimas llamadas luciferasas, que los dotan de capacidad para emitir luz fría y visible (bioluminiscencia).

Las mismas enzimas que les permiten a las luciérnagas y los cocuyos emitir luz con una tonalidad verde-amarilla a la hora del crepúsculo, por ejemplo, también hacen que produzcan luz de color rojo cuando se expone a los coleópteros a ambientes con pH ácido o de altas temperaturas, o en presencia de metales pesados. Y también son responsables por el hecho de que escarabajos emitan luz de una amplia gama de tonos, independientemente del pH del ambiente.

Mediante una serie de investigaciones que contaron con el apoyo de la FAPESP, científicos del grupo de bioluminiscencia y biofotónica de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en su campus de la localidad de Sorocaba (São Paulo, Brasil), en colaboración con un colega de la University of Electro-Communications, de Japón, develaron los mecanismos moleculares que hacen que las enzimas luciferasas emitan luz de colores distintos en los insectos bioluminiscentes.

Estos descubrimientos salieron descritos en un artículo publicado en la revista Biochemistry, de la American Chemical Society (ACS).

“Pese a que ya llevamos décadas de estudios, los mecanismos moleculares inherentes al cambio de color de la bioluminiscencia de luciérnagas, cocuyos y otros escarabajos y de la sensibilidad de las enzimas luciferasas de luciérnagas y cocuyos al pH, a la temperatura y a los metales pesados aún eran desconocidos”, declaró Vadim Viviani, docente de la UFSCar y primer autor del artículo, a Agência FAPESP. “Nuestro estudio hizo posible entender mejor ahora de qué manera las luciferasas producen distintos colores de luz”, sostuvo.

De acuerdo con el investigador, las enzimas luciferasas producen bioluminescencia en luciérnagas, cocuyos y otros escarabajos mediante la catálisis de la reacción de oxidación de la proteína luciferina, una molécula fluorescente que, al oxidarse, actúa como emisor de luz.

Dependiendo del microambiente de la zona en donde se produce la reacción de oxidación de la luciferina (el sitio activo), el color de la luz producida puede variar del verde al rojo, detalló Viviani.

Mediante investigaciones realizadas en los últimos años, los científicos de la UFSCar y de otras universidades e instituciones de investigación del mundo detectaron que dos de los 550 aminoácidos que componen la enzima luciferasa –el Glutamato311 (E311) y la Arginina337 (R337)– tienen cargas eléctricas opuestas: el E311 tiene carga negativa y el R337 tiene carga positiva.

Hace algunos años, Viviani produjo una mutación en el aminoácido E311 y, de ese modo, logró cambiar el color de la luz emitida por la enzima luciferasa de un cocuyo brasileño.

En tanto, un grupo de científicos de Estados Unidos también produjo recientemente una mutación en el aminoácido R337 y logró generar el mismo efecto de cambio de color de la luz producida, y detectó que, coincidentemente, los residuos del E311 y del R337 están muy cerca en la estructura tridimensional de la luciferasa de luciérnagas y cocuyos.

“Estos descubrimientos pusieron en evidencia que esos dos aminoácidos eran importantes en el cambio de color de la luz emitida por las luciferasas, pero no se sabía cuál es el papel que desempeñan en la determinación del color de la bioluminescencia”, afirmó Viviani.

Con el objetivo de intentar dilucidar esta cuestión, los científicos y sus colaboradores produjeron ahora mutaciones de los aminoácidos E311 y R337, que resultaron en la alteración de las cargas eléctricas de un conjunto de luciferasas que producen distintos colores de bioluminescencia, clonadas por Viviani y su grupo en el transcurso de las últimas décadas.

A su vez, el profesor Takashi Irano, de la University of Electro-Communications, en Japón, sintetizó análogos de luciferina que interactúan con partes específicas del sitio activo de las enzimas luciferasas testeadas.

Las mutaciones de los dos aminoácidos de una luciferasa obtenida a partir de la luciérnaga Macrolampis s2 –encontrada en el Bosque Atlántico, en Brasil– que fueron objeto de la tesina de maestría de la estudiante Aline Simões, en el programa de biotecnología y monitoreo ambiental de la UFSCar– indicaron que, como poseen cargas eléctricas opuestas, los aminoácidos interactúan entre sí electrostáticamente y cierran el sitio activo de la enzima.

De este modo, el sitio activo de la luciferasa se vuelve hidrofóbico (repele el agua), lo que resulta en un aumento de la energía de la luz producida por la enzima, que de esa forma adquiere una tonalidad que varía entre el verde y el azul.

En tanto, la interrupción de la interacción de los dos aminoácidos debido a cambios en la carga eléctrica de uno de ellos o a la alteración del pH del ambiente en donde se encuentra la luciferasa, por ejemplo, promueve la apertura del sitio activo de la enzima, lo cual hace posible la entrada de agua.

“La luz producida en esas situaciones es menos energética y asume un color rojizo”, explicó Viviani.

Una de las autoras del estudio –la estudiante Vanessa Rezende Bevilacua, doctoranda del programa de genética evolutiva y biología molecular de la UFSCar, bajo la dirección del investigador y con Beca de la FAPESP– detectó que la única luciferasa que produce naturalmente color rojo, proveniente de la larva ferrocarril (Phrixotrix hirtus), no tiene el aminoácido R337 y, por ende, no posee carga eléctrica positiva.

La falta de esa carga positiva –de no estar ausente, atraería a la carga negativa del aminoácido E311 y bloquearía el sitio activo– hace que la región no se cierre bien y que la luz emitida por la luciferasa sea roja.

Estos resultados fueron corroborados por otras mutaciones en aminoácidos producidas por el estudiante de doctorado de la UFSCar Gabriele Gabriel, y mediante el modelado de la estructura tridimensional de las enzimas a cargo del estudiante Frederico Arnoldi, actualmente investigador de Fundação Grupo Boticário de Proteção à Natureza.

“Estos descubrimientos ayudan a explicar de qué manera las luciferasas producen distintos colores de luz”, afirmó Viviani. “Y esto abre la posibilidad de poder controlar mejor estos mecanismos a los efectos de crear luciferasas mediante ingeniería genética que exhiban propiedades deseadas para diferentes aplicaciones biotecnológicas, con una determinada tonalidad de color o intensidad de luz, por ejemplo”, afirmó.

Aplicaciones biotecnológicas

Las enzimas luciferasas y sus sustratos –la luciferina– se utilizan ampliamente como reactivos bioanalíticos y marcadores celulares en biosensores de contaminación ambiental y en prospección de drogas anticancerígenas y antibióticos, entre una vastísima gama de aplicaciones, señaló el investigador.

Con todo, la creación de esas enzimas para aplicaciones biotecnológicas se hacía al azar, mediante la producción de mutaciones en una parte de la proteína para obtener una nueva enzima mutante, con un determinado color y para un uso específico.

Este proceso resultaba a menudo en una enzima más débil, que producía poca luz, explicó Vadim.

“Ahora, al conocer mejor el mecanismo inherente a la producción de luz, será posible producir mutaciones en las enzimas para cambiar el color de la luz emitida sin efectos sobre otras características de su luminiscencia”, afirmó.

El grupo de investigación que Vadim lidera en la UFSCar ya ha clonado, producido mediante ingeniería genética e investigado más de 10 luciferasas distintas de coleópteros bioluminiscentes brasileños, que presentan diferentes colores de luz y propiedades luminiscentes.

“Somos el grupo de investigación que más ha clonado e investigado variedades de luciferasas de insectos en el mundo, incluyendo a las tres familias de luciérnagas y cocuyos”, afirmó Viviani.

La clonación y la modificación realizadas por el grupo de investigadores brasileños de una enzima luciferasa de larvas luminiscentes de cocuyos colonizadores de termiteros en el Cerrado (Pyrearinus termitilluminans), que presenta la bioluminiscencia más verde-azulada y más eficiente entre las luciferasas de coleópteros, ha resultado en el desarrollo de un marcador de células de mamíferos, a cargo de un grupo de investigadores de Japón con los cuales colabora.

Varias otras luciferasas de escarabajos clonadas por el grupo también están testeándose actualmente para el desarrollo de biosensores y marcadores celulares.

Suscriptores de la revista Biochemistry pueden leer el artículo intitulado “Glu311 and Arg337 stabilize a closed active-site conformation and provide a critical catalytic base and countercation for green bioluminesce in beetle luciferasas” (doi:10.1021/acs.biochem.6b00260), de Viviani y otros, ingresando en el siguiente enlace: pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.biochem.6b00260.