PONIENDO LUZ EN LA VIDA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

La Bioluminiscencia es una capacidad de emitir luz de muchos organismos, la mayoría marinos. Se atribuye a Plinio la primera descripción de tal característica encontrada en las medusas que habitaban la bahia de Nápoles, incluida en su enciclopédica Historia Universal, compendiada en 160 tomos y escrita al comienzo de la era cristiana. Darwin insistió en ello en su famoso viaje en el Beagle, textualmente: “Mientras navegábamos al sur de Plata, en una noche muy oscura, el mar presentó el más bello y maravilloso espectáculo. Había una brisa fresca y en cada parte de la superficie en la que durante el día se veía espuma ahora se emitía una luz pálida. La nave apartó dos nubes de fósforo líquido, y su estela era seguida por un séquito lechoso.”

La habilidad de producir biolumiscencia es característica de muchas especies, la mayoría invertebrados marinos, pero también hay vertebrados, solamente peces marinos, que pueden emitir luz. Algunas bacterias, simbióticas de animales marinos y alguna especie de hongos terrestres. No obstante, la fracción de animales capaces de producirla es muy pequeña, aunque algunos de ellos lo hacen con tal intensidad, que pueden servir como marcadores de ecosistemas marinos, al hacerlo con tal instantaneidad que permiten visualizar su situación.

Biofísicamente hablando, la bioluminiscencia es la emisión de luz visible, consecuencia de la oxidación de sustratos específicos, conocidos como “luciferinas”, por el oxígeno, implicando a enzimas específicas, genéricamente denominadas “luciferasas”. Estas reacciones que dan lugar a la emisión en un esquema de cadenas de transporte de electrones, permiten usar la bioluminiscencia para visualizar otros procesos enzimáticos que no emiten  luz. Se contabilizan más de 100 enzimas susceptibles de determinarse mediante reacciones bioluminiscentes. Cuando se extraen del organismo vivo, los sistemas emisores de luz, tanto genes como enzimas, se pueden emplear  para visualizar otros procesos biológicos, ocultos en genomas, células, organismos e incluso ecosistemas. Esto es un indicador del potencial de la bioluminiscencia.

Desde el punto de vista pedagógico,  el valor didáctico radica en que muchos procesos biológicos se pueden transformar en emisores de luz, susceptibles de observación directa, así como para cuantificar mediante instrumentos fotométricos. No siendo una herramienta efectiva la visión, lo que no cabe duda es que nuestros ojos intermedian hasta un 80% de la información que llega al ser humano. La observación de la bioluminiscencia, es atractiva, convincente y facilita el aprendizaje por la observación directa. La luz de un sistema vivo tiene una componente emocional que le hace atractiva. Es susceptible de utilizarla tanto mediante microscopios como ordenadores. Muchos campos son susceptibles de su concurso: microbiología, genética, ecología, toxicología, fisiología animal y humana, bioquímica, inmunología, citología, química física, embriología, fisiología vegetal, etc. Se puede emplear para trazar el crecimiento de colonias de bacterias luminosas en placas Petri, para analizar desde la inducción de síntesis enzimática hasta procesos de población o respiración de las bacterias. Los organismos luminosos muestran muy gráficamente los procesos vitales: crecimiento, nutrición, respiración, reproducción, adaptación al entorno. La demostración de la captura de oxígeno en la respiración o la acción de las enzimas digestivas, la denominada proteolisis, o el análisis de la actividad enzimática en los procesos metabólicos o el contenido intracelular de iones calcio en el plasma y serum sanguíneo, se pueden observar mediante técnicas bioluminiscentes. Es simple y directo el uso de genes clonados de luciferasa de diferentes fuentes para abordar la genética básica, la ingeniería genética, la biología molecular y la inmunología. Hay casos en que los microorganismos que contienen los genes luminiscentes adquieren tal propiedad sin ninguna adición exógena, es decir, sin el conjunto de genes de los sistemas luminiscentes de las fotobacterias que contienen el operon luciferasa. En otros casos la actividad luminiscente se puede valorar usando instrumentos simples y fiables, denominados luminómetros. La luminiscencia puede usarse para preparar bacterias emisoras y luciferasas basadas en la inhibición de la luminiscencia de las bacterias luminiscentes y de las bacterias luciferasas mediante sustancias tóxicas del medio.  De esta forma se puede valorar el efecto de los compuestos de diferentes grados de toxicidad en los sistemas luminiscentes, tanto in vivo como in vitro, desde la valoración de la toxicidad del aire o de los alimentos, hasta la contaminación de plantas en las cunetas de las carreteras o en los entornos industriales. En el ámbito de la toxicología se puede visualizar, por ejemplo, el efecto del moho del pan en la luminiscencia de las bacterias, comparada con las del pan que no está afectado por los hongos.  En fisiología vegetal se usan algas y bacterias luminiscentes para evidenciar la fotosíntesis. El oxígeno producido por el alga se detecta por luminiscencia ya que la bacteria solamente luce en presencia de oxígeno. Se puede estudiar la incidencia de la actividad humana en la vida de las plantas, así como el efecto tóxico de los desfoliantes, herbicidas e insecticidas, sobre la bioluminiscencia de las bacterias.

En el ámbito de la Química Física permite estudiar la función de los procesos químicos en los organismos vivos. Ilustra los procesos oxidativos típicos de las reacciones orgánicas, en especial de los compuestos naturales. Es una ilustración muy gráfica de las bases teóricas de la Química General, como lo es la conversión de tipos de energía, velocidad de las reacciones químicas, ley de acción de masas o procesos catalíticos. Las reacciones de un proceso bioluminiscente se pueden usar en los procesos de oxidación-reducción y el efecto adverso de determinados compuestos químicos sobre un organismo vivo.

Concluyendo, poner luz en la vida es un excelente recurso para visualizar los procesos que tienen lugar y, de esta forma, poder seguirlos. Es una forma, realmente sencilla de posibilitar el estudio de multitud de procesos, sin la necesidad de instrumentación sofisticada ni caros reactivos. Los resultados pueden ser atractivos, estéticamente interesantes y emocionalmente brillantes, muy útiles para penetrar y abordar complejos procesos, desde una ventajosa posición metodológica, dado que la luz es uno de los productos finales de los procesos metabólicos implicados. Son las enzimas específicas las que convierten la energía de las reacciones de oxidación en una parte del espectro de la luz visible. Los detectores físicos sensibles a estas frecuencias son capaces de captarlos y contar los fotones implicados, desvelando el alcance de la biolumiscencia. Es una metodología de vanguardia que permite visualizar las interioridades de los procesos in vivo e in vitro, Son alternativas prometedoras para visualizar procesos de forma efectiva.