Una investigación revela de qué manera produce luz roja el gusano ferrocarril

Se sabía que las diferencias de colores en la luminosidad que produce este escarabajo larviforme son generadas por dos enzimas con pequeñas diferencias estructurales, pero sus detalles se desconocían. Este descubrimiento posee potenciales aplicaciones en biotecnología

Por André Julião  |  Agência FAPESP – Un grupo conformado por científicos brasileños y japoneses develó de qué manera produce luz roja la enzima luciferasa de la larva del escarabajo de la especie Phrixothrix hirtus, a la que se conoce con el nombre de gusano ferrocarril.

Una diferencia en la estructura molecular de las enzimas luciferasas, que catalizan la oxidación de la luciferina produciendo oxiluciferina y luz, es la responsable de la emisión de diferentes colores de luz. Este descubrimiento tiene potencial de uso en nuevas aplicaciones biotecnológicas, en la elaboración de imágenes de tejidos ricos en hemoglobina tales como los de los músculos y la sangre, por ejemplo.

Este artículo, redactado por científicos de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y del LNBio-CNPEM, el Laboratorio Nacional de Biociencias del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales de Campinas (ambas instituciones brasileñas), y de la University of Electro-Communications, de Japón, salió publicado en la revista Scientific Reports.

Para realizar este trabajo, el grupo brasileño empleó luciferasa clonada del gusano ferrocarril (que naturalmente produce luz roja) y algunos mutantes de la enzima, junto con un análogo mayor de la luciferina, sintetizado por el grupo japonés. 

“Además de revelar el tamaño mayor de la cavidad de enzima luciferasa, esta nueva combinación de luciferasa con el análogo de luciferina también produce luz roja lejana con mayor eficiencia, por lo cual resulta ideal para aplicaciones biomédicas que involucren bioimágenes de células y tejidos que absorban preferentemente luz verde azulada, tales como las células de los mamíferos”, declaró Vadim Viviani, docente de la UFSCar en su campus de la ciudad de Sorocaba (interior de São Paulo) y coordinador del estudio, a Agência FAPESP. 

En un trabajo anterior, el grupo encabezado por el investigador Vadim Viviani había develado en tubo de ensayo el mecanismo mediante el cual las luciferasas de las parientes cercanas del gusano ferrocarril, las luciérnagas, cambian el color de la luz del verde al rojo, mediante alteraciones en la acidez del medio o en presencia de metales pesados (lea más en: revistapesquisa.fapesp.br/2018/12/04/verde-amarelo-ou-vermelho).

No obstante, aún no se sabía cómo era producida la luz roja naturalmente por la luciferasa del gusano ferrocarril. Ahora, como parte del doctorado de Vanessa Rezende Bevilaqua, primera autora del artículo, el grupo demostró cómo transcurre este fenómeno en el gusano ferrocarril. Este trabajo integra el Proyecto Temático “Bioluminescencia de Artrópodos”, financiado por la FAPESP.

Originario de América, el gusano ferrocarril es uno de los pocos animales conocidos porque produce luz roja, aparte la luz verde amarillenta, que es más común. Durante la fase larvaria, este animal tiene en su dorso varios faros verdes y en la cabeza uno rojo que le sirve incluso para iluminar su camino al oscuro. Las luces de su espalda tienen la función de asustar a los predadores.

Cuando se convierten en adultos, los machos pierden el faro rojo y permanecen únicamente con dos verdes amarillentos en el cuerpo. En tanto, las hembras adultas siguen en la forma larvaria y mantienen tanto los verdes del cuerpo como el rojo de la cabeza.

“Ahora hemos demostrado que las luciferasas que producen luz verde amarillenta tienen una cavidad menor del llamado sitio activo, donde la luciferina se encaja y es oxidada en oxiluciferina, produciendo luz. De este modo, la luciferina queda comprimida en un ambiente más rígido, lo cual hace que exista una repulsión electrostática entre ambas moléculas [la oxiluciferina energizada y las paredes del sitio activo de la luciferasa] que libera luz con mayor energía y, por ende, luz verde o amarilla”, dijo Viviani.

En el caso de la luciferasa roja producida en la cabeza de la larva, el espacio de la cavidad del sitio activo es mayor. Por ende, hay más moléculas de agua y el ambiente queda más suelto, con lo cual disminuye la repulsión electrostática entre la molécula de luciferina y la pared del sitio activo de la luciferasa. Por consiguiente, se libera la luz de menor energía (roja, por ende).

Bioimágenes

Para descubrir las interacciones que suministran la luz roja, durante las últimas décadas los científicos concretaron la clonación de varias luciferasas, introduciendo modificaciones en varios de sus aminoácidos mediante la aplicación de herramientas de la ingeniería genética. 

Posteriormente, el grupo japonés encabezado por Takashi Hirano, de la University of Electro-Communications, sintetizó análogos de luciferinas que emitían luz roja, que fueron testeados por Bevilaqua con las luciferasas de escarabajos clonadas y modificadas por el grupo de investigación brasileño, incluso la del gusano ferrocarril. 

Algunas de esas luciferinas modificadas tenían una estructura mayor que las otras. Y fueron justamente estas las que interactuaron mejor con la luciferasa del gusano ferrocarril, produciendo luz roja lejana con mayor eficiencia, pero no sucedió lo propio con las luciferasas que producían luz verde o amarilla. 

“Las luciferasas que catalizan luz verde y amarilla, al tener una cavidad pequeña, no encastran bien a los análogos de luciferina que tienen una estructura grande y, por ende, poseen muy poca actividad luminiscente. Por otra parte, esos análogos grandes interactúan bien con las luciferasas que catalizan la emisión de luz roja. Esto nos indicó que la luciferasa del gusano ferrocarril posee una cavidad del sitio activo grande y así logra encastrar estos análogos”, dijo Viviani. 

Con base en este resultado, los investigadores empezaron a probar nuevas combinaciones de luciferinas con luciferasas modificadas del gusano ferrocarril hasta llegar a versiones más intensas de luz roja que la producida por la larva. La idea es que dichas combinaciones puedan usarse en investigaciones biomédicas. 

“Los análogos de luciferina sintetizados por el grupo japonés no son los primeros que se crean, pero reúnen las ventajas de poseer una mayor actividad luminiscente y un espectro de la luz desplazado hacia el rojo cuando están combinados específicamente con la luciferasa del gusano ferrocaril. Los análogos disponibles en el mercado tienen una menor eficiencia, aunque estén desplazados hacia el rojo”, dijo Viviani.

En principio, la idea es que este descubrimiento pueda utilizarse para mejorar la visualización de procesos bioquímicos y celulares en tejidos de mamíferos que no absorben luz roja, tales como la sangre y los tejidos musculares. 

“Cuando se utiliza en ellas la luciferasa que tradicionalmente emite luz verde, amarilla o azul, no es posible visualizar bien los procesos bioquímicos y patológicos que allí ocurren, pues pigmentos tales como la hemoglobina y la mioglobina absorben la mayor parte de la luz de esta cromaticidad”, dijo.

Puede leerse el artículo intitulado Phrixotrix luciferase and 6′-aminoluciferins reveal a larger luciferin phenolate binding site and provide novel far-red combinations for bioimaging purposes (doi: 10.1038/s41598-019-44534-3), de Vanessa R. Bevilaqua, T. Matsuhashi, G. Oliveira, P. S. L. Oliveira, T. Hirano y Vadim R. Viviani, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-019-44534-3.