Biolumineszentzia

[thumb|*[Photinus pyralis* espezieko ipurtargia.]][thumb|upright|[Ipurtargia]]**Biolumineszentzia,** (grezieratik *bios*, bizia, eta latinetik, *lumen,* argia) hainbat organismok sortutako argi emisioa da. Zentzu orokorrean, biolumineszentziaren erreakzio nagusiak, molekula argi emaile eta entzima bat biltzen ditu, oro har luziferina eta luziferasa izenekoak, hurrenez hurren. Energia kimikoa argi energia bilakatzen dueneko erreakzio bat da. 

Aristoteles eta Plinio Zaharrak egur hezeak, noizbehinka, argia igortzen zuela konturatu ziren eta hainbat mende beranduago Robert Boyle oxigenoak argiaren sorrera prozesuan parte hartzen duela ohartu zen. Hala ere, biolumineszentzia, ez zen XIX. mendera arte behar bezala aztertua izan. 

Organismo bizien artean oso hedatua dagoen prozesua da talde biologiko guztietan: bakterioak, onddoak, protistoak, arrainak, moluskuak, intsektuak, krustazeoak eta abar. Hala ere, fenomeno hau gehien bat ur sakonera handitan bizi diren animalietan ematen da.

## Funtzioak 
Biolumineszentziak, funtzio desberdinak betetzen ditu taxon desberdinen artean. Steven Haddock et al. (2010) funtzio hauek deskribatu zituzten: babesa, kamuflajea, dispertsio hodeia, arreta desbiderapena, harrapakinen erakarpena (maila trofikoko altuagoko organismoak abisatzeko), harrapakina erakartzea edo nahastea, bikotekidearen atentzioa lortzea.  

Ikerlarientzat biolumineszentzia fenomenoa betetzen duten organismoak detektatzea, lumineszentzia eragiten duten bidezidor kimikoak edo honen funtzioa aztertzea baino askoz errazagoa da. Zenbait kasutan biolumineszentziaren funtzioa oraindik ez dago argi (Oligoketoetan adibidez). Honen adibide oso argia, *Diplocardia longa* bezalako espezietan animalia mugitzen denean isuritako jariakin zelomikoak argia igortzen du.

Hauen artean aipagarrienak eta oinarri gehiena duten funtzioak ondorengoak dira:

### Kamuflajea 
thumb|Zenbait txipiroiek biolumineszentzia erabiltzen dute harrapakarietatik kamuflatzeko.|156x156px
Hondo ozeanikoko zenbait animalik, hala nola zenbait txipiroi espeziek, bakterioek sortutako biolumineszentzia erabiltzen dute ingurunean kamuflatzeko (harrapakarietatik babesteko). Izan ere, harrapariak harrapakinaren distira inguruneko argiarekin nahasten du.  

Organismo hauek, hondo ozeanikoko argiztapenaren arabera distira erregulatzeko gai dira.

### Gorteiatzea eta ugalketa 
Bestalde, zenbait espeziek, ipurtargiak esaterako, gorteiatze aldian, hau da, ugalketarako bikotea bilatzerako orduan, biolumineszentzia erabiltzen dute bikotekidea erakartzeko. Ipurtargien kasuan, adibidez, 2 sistema desberdin erabiltzen dituzte. Alde batetik, espezie batzuetan emeak argia igortzen du arra erakarriz eta beste aldetik, beste espezie batzuetan ar hegalariek igortzen dute lumineszentzia eta eme ez-hegalariek lurretik erantzuten dute.

### Harrapakinak erakartzea 
Zapo zuriak kasurako, ur sakonera handietan biolumineszentzia harrapariak erakartzeko amu bezala erabiltzen du. Honek, burutik luzatzen den luzakin zintzilikaria du, animalia txikiak erakartzeko.

### Harrapatzaileekiko defentsa 
thumb|153x153px|*Photuris* emea argipean (goian) eta bere berezko argipean (behean).
Biolumineszentzia erakusten duten organismoen babes mekanismoak desberdinak izan daitezke: ohartarazpena, alarma antzekoa, hodei lumineszentea (arreta desbideratzeko)... 

Ipurtargien kasuan, distira saguzarretatik babesteko erabiltzen dute. Izan ere, lumineszentzia, toxikotasuna eta pozoi arriskua adietazteko erabiltzen dute harrapakariei haiek jatea arriskutsua izan daitekeela ohartaraziz.

Dinoflagelatuek era berean, harrapakarietatik babesteko erabiltzen dute biolumineszentzia. Hauek, harrapakaria detektatzen dutenean distira igortzen dute, harrapakaria maila trofiko handiagoko harrapakariekiko zaurgarriago bihurtuz. 

### Argiztapena 
Biolumineszentzia itsastar gehiena berde urdin kolorekoa den bitartean, *Idiacanthus atlanticus*-ek distira gorri kolorekoa isurtzen du. Adaptazio honek, arrainei berain harrapakinak diren pigmentazio gorriko espezie gazteak detektatzen laguntzen die; izan ere, bestela, argiaren izpi gorriak ez dira ur zutabean sakonera horretara iristen eta hortaz, harrapakinak ez dira ikusgarri.

## Prozesua 
[thumb|165x165px|[Raphaël Dubois]]
Biolumineszentziaren oinarri kimikoen lehenengo ikerketak Raphaël Dubois farmakologo frantsesari ezartzen zaizkio. 1885 eta 1892 artean bi animalia biolumineszente espezierekin egin zuen lana; alde batetik, *Pyrophorus* generoko ipurtargi tropikalekin eta bestalde, *Pholas dactylus* molusku bibalbioarekin. Horrela, ordura arte indarrean zegoen fosforoaren teoria baztertu zuen eta argiaren igorpen biologikoaren fenomenoa  oxidazio entzimatikoa besterik ez zela frogatu zuen. Oxidazioan 2 substantziek elkar eragiiten zutela ohartu zen; lehena, termoerresistentea, luziferina gisa izendatu zuena, bestearen aurrean kontsumitzen zen; bigarrenak, aldiz, katalizatzaile termosentikor bezala jarduten zuen eta honi, luziferasa izena jarri zion. 

Erreakzio kimiolumineszenteekin alderatuz, prozesu biolumineszenteek eraginkortasun kuantiko handiagoa dute; izan ere, prozesu kimiolumineszenteen errendimendu kuantikoa %0,001-0,1 artekoa den bitartean, prozesu biolumineszenteena %1-100 tartekoa da, eta azken hauetan entzimek dute rol garrantzitsuenetarikoa. Prozesu honetan luziferina-luziferasa erreakzioa burutzen da, non luziferina proteina oxidatua izaten den lizeferasa entzimaren ekintza katalizatzailearen ondorioz. 

Luziferina-luziferasa konbinaketa dibertsitatea dela eta, mekanismo kimikoan ezaugarri komun gutxi topatu dira. Gaur egun arte aztertuak izan diren sistemetan, ezaugarri komun bakarra oxigenoaren rola izan da, karbono dioxidoaren (CO2) kanporaketa ere maiz ikusi da. Esate baterako, ipurtargiaren luziferina-luziferasa erreakzioak magnesioa (Mg2+) eta ATPa behar ditu eta hondakin bezala CO2, adenosina monofosfatoa (AMP)  eta pirofosfatoa (PP) kanporatzen ditu. Beste kofaktore batzuk ere beharrezkoak izan daitezke; esate baterako, kaltzioa (Ca2+) aekuorina fotoproteinarentzako.

Luziferina-luziferasa erreakzioa horrela gertatzen da: oxigenoak substratua, luziferina, oxidatzen du, luziferasak erreakzioa bizkortzen du eta ATPak erreakziorako energia ematen du, argia eta ura sortuz.  Fotoproteinak erreakzio zinetiko ezohikoa duten entzimak dira.  Kaltzio ioiak gehitzerakoan katalisi azkar batek flash labur bat sortzen du, luziferasak sortzen duen distira luzearekin nahiko desberdintzen dena. Urrats astiroago batean luziferina erregeneratu egiten da oxiluziferinatik, forma oxidatutik, aekuorinarekin errekonbinatzea baimenduz, ondorengo flash bat prestatzeko. Are gehiago, aekuorinak igorritako argi urdin apur bat kaltzio ioiekin kontaktuan jartzerakoan, proteina berde fluoreszenteek xurgatu egiten dute, eta bueltan argi berdea askatzen dute erresonantzia energia-transferentzia deritzon prozesu batean. 

Luziferina, organismoaren arabera aldatzen denez, biolumineszentziaren bitartez sortzen den argiaren kolorea desberdina da. Duela gutxi arte aztertutako animalia espezie guztietan koloreak espektro ikusgarrian topatzen dira, beti berdearen eta urdinaren artean. Beste kolore batzuk ikusi diren kasuetan, organo iragazleek kolorea alteratzen dutelako edo islapen gainazalek kolorea distortsionatzen dutelako izan da. Aitzitik, oraintsu zenbait espezie aurkitu dira, *Periphylla periphylla* esaterako, tonalite gorrixkak sintetizatzeko gai direnak.

Erradiazio biolumineszentea normalean argi hotzaz (%69-90ean) eta bero emisioaz (%10-20ean) konposatzen da, hala ere, ikerketa batzuen arabera argi hotzaren proportzioa %100ekoa izan daitekeela estimatu da.

Biolumineszentzia eta fluoreszentzia ez dira gauza bera, desberdintasun nagusia energia iturria da. Biolumineszentzian energia iturria erreakzio kimikoak diren bitartean, fluoreszentzian, energia aurreko argi-iturri batetik lortzen da, gerora beste fotoi baten gisa berriro igortzen dena.

## Motak 
Biolumineszentziaren barruan 3 mota nagusi bereiz daitezke: intrazelularra, extrazelularra eta zenbait bakteriok organismo desberdinekin sinbiosi harremanetan sortzen dutena.

### Intrazelularra 
Biolumineszentzia intrazelularra zenbait espezieko zelula espezializatuek sortzen dute, bai organismo unizelular (dinoflagelatuak esaterako) baita multizelularretan ere. Argi hau larruazalaren bitartez igortzen da eta lente eta eta material islatzaile desberdinen bidez indartzen, ipurtargien urato kristalaren edo arrain desberdinen guanina plakaren antzera. Lumineszentzia mota hau zenbait txipiroi eta dinoflagelatuen (*Protoperidium * generoa bereziki) bereizgarria da.

### Extrazelularra 
Biolumineszentzia extrazelularra, luziferina eta luziferasaren erreakzioaren bidez ematen da organismoaren kanpoaldean. Konposatu hauek sintetizatu ondoren larruazaleko guruin desberdinetan edota hauen azpian metatzen dira. Behin askatuta, elkarren arteko eta kanpo inguruneko nahasketak hodei argitsuak sortzen dituzte. Lumineszentzia mota hau oso ohikoa da, zenbait krustazeoen eta zefalopodo abisal batzuen artean.

### Bakterio lumineszenteekin sinbiosian 
Zelenteratu, zizare, molusku, ekinodermatu eta arrain itsastarren kasuan ezagutzen den fenomenoa da. Hauek, gorputzeko leku desberdinetan, bakterioak gordetzen dituzte, fotoforo izeneko maskuri edo puxika txikiak dituzte. Zenbait espeziek igorritako argi jarraiaren intentsitatea erregulatu dezakete egitura berezien bidez. Izan ere, gehienetan argi-eragile diren organo hauek nerbio sistemarekin lotuta daude. Modu honetan, animaliak nahi bezala kontrolatu dezake igorritako argi kantitatea.

## Erregulazio genetikoa 
thumb|307x307px|Lux operonaren azpiunitateen funtzioak.
Bakterioak bezalako organismoetan biolumineszentzia prozesuaren erregulazio genetikoa luxCDABE operonak kontrolatzen du. Operon hau, argiaren igorpenerako ezinbestekoak diren bost gene estrukturalen bitartez erregulatuta dago: luxA, luxB, luxC, luxD, eta luxE. LuxC, luxD eta luxE geneak aldehido substratua birziklatzeko gantz azidoen erreduktasa konplexua kodetzen dute eta luxA eta luxB luziferasa entzimaren α eta β azpiunitateak kodetzeaz arduratzen dira.  

Operoiaren adierazpena itzulpen eta transkripzio mailan erregulatuta dago. LuxR geneak proteina erregulatzaile bat kodetzen duen bitartean, luxI genea proteina autoinduktore bat kodetzeaz arduratzen da. Zelularen dentsitatea geroz eta handiagoa izan, luxR proteinaren kontzentrazioa handiagoa izango da, eta honek autoinduktoreak eraginda, luxICDABE operoia aktibatzen du, argiaren sintesia eraginez. Ostera, proteina erregulatzailearen kontzentrazioa mugakorra bihurtzen da; izan ere, proteina erregulatzailearen eta autoinduktorearen artean sortzen den konplexuak luxR genearen itzulpena inhibitzen du.

Operoia koakzio katabolikoaren bitartez ere erregulatu daiteke, bere promotoreek cAMP-rako lotura guneak baitituzte. 

## Organismo biolumineszenteak 
### Onddoak 
Egun 112 onddo biolumineszente espezie baino gehiago ezagutzen dira eta batik bat klima epel eta tropikaletan aurki daitezke. Gehienak Basidiomycota dibisioaren  barruan kokatutako Agaricales ordenean sailkatuta daude. Salbuespen bakarra dago, Xylariales ordenean sailkatuta dagoen askomikotoa. Ezagutzen diren Agaricales ordeneko onddo guztiak esporadun fruitu-gorputza garatzen dute eta 4 lerro ebolutibo desberdinen parte dira. Omphalotus lerroa (*Omphalotus* eta *Neonothopanus* generoak biltzen dituena) 12 espeziez osatua , Armillaria lerroa 10 espeziez osatua eta Myceloid lerroa (*Favolachia, Mycena, Panellus, Prunulus, Roridomyces*) 50 espezie desberdin biltzen dituena. Berriki aurkitutako Lucentipes lerroan 2 espezie sailkatu dira, *Mycena lucentipes* eta *Gerronema viridilucens*. Aipatutako onddo biolumineszente guztietatik, *Armillaria mellea* munduan zehar gehien zabalduta dagoen espeziea da; Asia, Europa, Ipar Amerika eta Hego Afrikan aurki daiteke.
thumb|172x172px|*Panellus Stipticus*
Onddo biolumineszenteak 520-530nm-tako uhin-luzera duen argi berdexka igortzen dute. Argia, zelula biziek soilik etengabe igortzen dute eta onddoaren zati desberdinetan agertu daiteke: mizelioan eta fruitu gorputzean *Panellus stipticus* eta *Omphalotus olearius* espezietan adibidez, edo mizelioan eta errizomorfo gazteetan *Armillaria mellea* espeziean bezala. *Roridomyces roridus* espeziean bestalde, lumineszentzia esporetan soilik ematen da eta *Collybia tuberosa*-ren kasuan, aldiz, esklerozioan soilik.

Gehienetan, onddo biolumineszente zurixka txikiak (“foxfire”) egur hilaren gainean sortzen dira hezetasun handiko basoetan. Forma hau tropikoetan oso ohikoa da. Espeziearen araberan, igorritako argiaren kolorea aldakorra izan daiteke (urdinetik, berdera edota horira). Onddo biolumineszente handien barruan, Australiako mamu onddoa bezala ezagutzen dena bereiz daiteke (*Omphalotus nidiformis*) eta Estatu Batuetan kalabaza (*O. olearius*) da aipagarriena. Azken hauek, 13cm-tako diametroa izateraino irits daitezke.

Onddoetan ematen den biolumineszentziaren biokimika guztiz ezaugarritua ez dagoen arren, aterakin biolumineszenteen prestakinek *in vitro* biolumineszentziaren ezaugarri batzuk deskribatzea ahalbidetu dute. Datu esperimentalen arabera, 2 urratsetako mekanismoa beharrezkoa da biolumineszentzia sortzeko. Lehen urratsean, erreduktasa disolbagarri batek luziferina izeneko produktu argi igorlea erreduzitzen du NAD(P)H gastatuz. Bigarren urratsean aldiz, luziferasa solugaitza batek luziferina erreduzitua oxidatzen du energia berde-urdin koloreko argi moduan askatuz. Onddoaren hazkuntzan eragina duten kanpo faktoreek (tenperatura, pH, argi kantitatea…)  honen biolumineszentzian ere eragina duela ikusi da. Itsas lumineszentzia (ingelesez, *Milky sea effect*) gertaera ezberdina da, hau milaka kilometro  karratuetan zehar zabaldu daiteke eta distira bakterio biolumineszenteek eragiten dute. 

Tropikoko leku askotan ozeanoaren gainazala organismo planktoniko argitsu zelulabakarretan dentsoa da, batez ere dinoflagelatuetan. Hauek mekanikoki estimulatuak direnean argiztatzen dira; olatuen eraginez esaterako. Organismo batzuek argi-intentsitatearen 24 orduko erritmoa erakusten dute, altuena gauez eta baxuena egunean zehar.
thumb|152x152px|*Noctiluca scintillans*
Dinoflagelatuak bezalako alga biolumineszenteen espezieak hedatu eta ugariak egiten direnean, alga loraldi (ingelesez *algae bloom*) kaltegarriak gerta daitezke.  Alga loraldiak eragin ditzaketen dinoflagelatuak badira ere, *Noctiluca scintillans* bezala, dinoflagelatu guztiak ez dira gai.  Dinoflagelatuen 17 toxina klaseen artean espezie biolumineszenteak 2 toxina sortzearen arduradun dira eta hauen artean bakarra izan da sakonki aztertua. 

## Aplikazioak 
### Biologia eta medikuntza 
Organismo biolumineszenteak ikerketa-eremu askoren xede dira. Proteina biolumineszenteak tresna biokimiko ahaltsuak dira arlo ugaritan; besteak beste, geneen adierazpenaren azterketan, medikamentuen aurkikuntzan, proteinen dinamikaren azterketan eta seinaleen itzulketarako bideen mapaketan. Ezagutzera gehien eman diren proteinak luziferasak dira. Hauek sentikortasun handiko hautematea baimentzen dute eta ezaugarri bereizgarriak dituzte; errendimendu kuantiko handia eta toxizitatearen gabezia zelula edo organismo bereiztuetan adierazten direnean. Ikerketa zabalak burutu dira proteina fluoreszenteen propietateak aldatzeko eta horrela uhinen igorpen ezberdinak dituzten proteina mutanteak lortu. 

Luziferasa sistemak ingeniaritza genetikoan oso erabiliak dira gene markatzaile bezala, gene bakoitzak fluoreszentzia bitartez kolore ezberdin bat sintetizatuz,  Esate baterako, ipurtargien luziferasa genea 1986ean jada erabilia izan zen tabako landare transgenikoen ikerkuntzan. Bestetik, *Vibrio* bakterioek *Eupryna scolopes* bezalako animali itsastarrekin egiten duten sinbiosia biolumineszentziarako eredu esperimentaletarako gako da.  Era berean, biolumineszentzia bitartez aktibatzen den suntsipena minbizi tratamentu esperimental bezala aztertua izaten ari da.
[thumb|141x141px|[Proteina berde fluoreszente|Proteina berde fluoreszentea (GFP)]]
Biolumineszentziaren beste aplikazio bat *Aequorea victoria* marmokak sintetizatzen duen GFP proteinarena da. Proteina hau kodetzen duen genea, jada klonatua izan dena, markatzaile biologiko bezala erabiltzen da. GFP proteinak beste proteina batzuen aldean ez du gehigarririk behar argiztatzeko edo distiratzeko, nahikoa da izpi ultramoreekin edo urdinekin erradiatzea fluoreszentzia igortzeko eta horrela aurretiaz ikusezinak ziren prozesuak ikuskatzeko; besteak beste, minbizi zelulak nola zabaltzen diren, Alzheimer-a nola garatzen den, bakterio patogenikoen hazkuntza eta GIB-aren barreiatzea organismoan zehar.

Aplikatutako beste teknika bat garun ortzadarra edo ingelesez *brainbow* izenekoa da. 2007an Harvard Unibertsitateko ikertzaile talde batek nerbio sistema irudikatzeko mapa bat garatu zuen, non proteina fluoreszenteen bitartez, neuronak eta garuneko beste zelula batzuk kolore desberdinetan ikus daitezke, nerbio sistema aztertzea eta prozesu neuronalak sailkatzea baimenduz. Arratoi batzuk genetikoki modifikaztuak izan ziren kolore desberdinetako (horia, zian eta gorria) proteinen kopuru zehatzak sintetizatzeko garuneko nerbio zelula indibidualetan. Emaitza bezala 90 tonalitate ezberdinetan distiratzen zuen garun bat ikusi zen. Horrela, ikertzaileek sare trinko batean zehar zelula indibidualen nerbio zuntzak jarraitzea posible zuten.  2014ean, Cambrige hiriko iGEM talde bat lanean hasi zen argiaren sintesirako erreakzioan luziferina kontsumitu ez dadin, horretarako, Ipar Amerikako ipurtargiek duten luziferina erregeneratzeko entzima bat kodetzen duen atal genetiko-bioteknologiko bat garatzen ari dira.

Ipurtargien isatsa distirarazten duen genea ziape landareetara gehitua izan da. Landarea ukitzerakoan distira ahul bat igortzen du ordu batez, baina kamera sentikor baten beharra dago distira ikusteko. Wisconsin-Madison Unibertsitatea genetikoki diseinatutako biolumineszentziaren erabilera aztertzen ari da *E. coli* bakterioan bakterio biolumineszente bezala erabiltzeko bonbilla batean. Bestetik, 2011. urtean, Phillips korporazioak etxeetan giro argia sortzeko sistema mikrobiano bat plazaratu zuen.  2016ean, Glowee, enpresa frantses bat, denden sarrerarako eta kaleko seinaleetarako argi biolumineszenteak saltzen hasi zen, goizeko 01:00-7:00 tartean erabiltzeko; izan ere, legeak ordutegi horretan xede horietarako elektrizitatearen erabilera debekatzen du.

### ATP biolumineszentzia 
**ATP biolumineszentzia,** organismo batean ATPa lumineszentzia sortzeko erabiltzen denean ematen den prozesua da. Zelulen bideragarritasuna neurtzeko biosentsore ona izatea frogatu da. Biosentsore optikoek lumineszentziaren eta fluoreszentzia xurgaketa edo emisioaren neurketa prozesuak biltzen dituzte. Neurketa hauen bitartez, ATP biolumineszentziaren neurketa kuantitatiboa aplikatzen da mikrobio biziak soilik detektatzeko. Metodoa azkarra eta komenigarria denez, datuak denbora errealean lortzen dira. Metodo honen bidez zehazten den mikrobioen populazioa kontzentrazioarekin erlazionatuta dago. 

#### Zelula bizidunen eta bizigabeen arteko desberdintzapena 
ATP biolumineszentzian, ATPa sintetizatzeko luziferina eta luziferasaren erreakzioa ematen den bitartean zelula bizidun guztiek ATP kopuru bera dutela onartzen da. Hau zelularen bideragarritasuna neurtzeko egiten da eta ikertzaileek ATPren presentzia edo gabeziaren arabera lagineko zelula bizi eta hilen kopurua neurtu dezakete. ATPa duten zelula biziek biolumineszentzia flash-a sortzen dute ATParen presentzian luziferina eta luziferasa arteko erreakzioa ematearen ondorioz. Hildako zelulek, aldiz, ez dute biolumineszentziarik sortzen ATP faltaren ondorioz. Lagin osasuntsu batean, zelula bizi bakoitzerako seinalearen intentsitatea konstantea da. Era honetan, lagin bateko zelula bizien kopuru osoa determinatua da. 

ATPa, luziferasaren erreakziorako ezinbestekoa dena, erabiltzen da eta bigarren urratsean oxiluziferina sintetizatzen da. Oxiluziferina kitzikapen egoeran sintetizatuko da eta oinarrizko egoerara bueltatzerakoan igorriko du argia. Igorritako argia luminometroen bitartez detektatzen da. ATParen kontzentrazioa zuzenki proportzionala da igorritako argi kopuruarekin, Argiaren Unitate Erlatiboetan (*AUE*) neurtzen dena. ROC (ingelesezko *Receiver Operating Characteristic* akronimoa) bat erabiltzen da neurketen sentikortasuna eta zehaztasuna neurtzeko. Biolumineszentzia intentsitatearen eta ATP estandarraren kontzentrazioaren artean korrelazio zuzena dago. Era berean, korrelazio zuzena dago biolumineszentziaren eta Kolonia Unitate Sortzaile (KUS) artean. Aitzitik, ATP estandarraren kontzentrazioa eta KUS arteko korrelazioa estandarra da. Era honetan, ATPa neurtu egiten da eta populazio mikrobianoa biolumineszentziaren bitartez zehazten da.

## Erreferentziak 
## Kanpo estekak 
*  Ilunean argi Zientzia.eus