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Biolumineszenz
Das Wort Biolumineszenz kommt aus dem Griechischen und dem Lateinischen – bios heisst auf Griechisch Leben und lumen heisst auf Lateinisch Licht. Biolumineszenz ist ein spezifisches Beispiel einer Chemolumineszenz, die in einem Lebewesen stattfindet. In einer biochemischen Reaktion entstehen reaktive Intermediate im angeregten Zustand, die ihre überschüssige Energie in Form von Licht loswerden. Die meisten biolumineszenten Reaktionen sind durch eine hohe Wirksamkeit gekennzeichnet, typischerweise über 90%.
Auf der Erde gibt es in sehr verschiedenen Biotopen eine Vielzahl von Organismen, die zu Biolumineszenz befähigt sind – es kann das Leuchten der Bakterien auf einem verwesenden Substrat, blaue Lumineszenz der Protozoa auf den Stränden der tropischen Meere oder das Leuchten der Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca) sein. Biolumineszenz wird bei einer Reihe von einfachen Organismen beobachtet – Bakterien, Pilzen (Omphalotus nidiformis, Omphalotus olearius), Insekten, Meeresfischen und Wirbellosen; bisher wurden in der freien Natur aber keine Beispiele von höheren Pflanzen, Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren gefunden, die biolumiszent sind.
Die Biologen vermuten, dass es mehrere Gründe geben kann, weshalb sich die Biolumineszenz entwickelt hat:
Rolle der Biolumineszenz im Schutz und der Fortpflanzung des Organismus
Die Biolumineszenz kann mehrere Aufgaben beim Überleben haben – vor allem aber die Schutzaufgabe. Manche Tiefseelebewesen, wie z.B. gewisse Arten von Kraken, sondern ein leuchtendes Sekrett ab, das den Feind verwirrt und bei der Flucht hilft; andere Tiefseefische haben einen leuchtenden Körperteil, der die potenzielle Beute anlockt oder eventuell die Prädatoren abschreckt. Es wird vermutet, dass die Biolumineszenz auch eine wichtige Rolle in Sexualkommunikation und Partnerfindung spielt.
Rolle der Biolumineszenz in der zellularen Abwehr
Es wird angenommen, das die Biolumineszenz bei niedrigeren Organismen wie Bakterien, Urtierchen und Pilzen ein evolutionäres Relikt aus den Zeiten sein kann, als die Erdatmosphäre sauerstoffarm war (Sauerstoff war für solche Organismen ein Gift). Biolumineszenz konnte damals ein Abwehrmechanismus darstellen, wie Sauerstoff im Organismus durch eine Biolumineszenzreaktion neutralisiert wird. Dieser Mechanismus wurde auch nach der Adaptation auf die sauerstoffreiche Atmosphäre erhalten.
Molekulare Prinzipen der Biolumineszenz
Die meisten biolumineszenten Organismen verwenden eine enzymkatalysierte Reaktion eines geeigneten Substrats mit Sauerstoff in Gegenwart von Kofaktoren. Bei der Reaktion mit Sauerstoff wird der Substrat zu reaktiven Intermediaten im angeregten Zustand oxidiert, die ein charakteristisches Licht ausstrahlen.
Das bekannteste Beispiel ist die Oxidation von Luciferin (typisch für die Gattung Lampyris) durch Sauerstoff unter enzymatischer Katalyse von Luciferase in Gegenwart von Mg2+ Salzen und ATP. Die Sequenz ist im Schema 3 abgebildet:
In der ersten Phase reagiert Luciferin mit Sauerstoff unter Verbrauch von ATP, Mg2+ Assistenz und Luciferase-Katalyse zu einem reaktiven, instabilen Intermediat Int1. Dieses Intermediat zerfällt in der zweiten Phase zu Kohlenstoffdioxid und Int2 im angeregten Zustrand. Die nachfolgende Deexzitation von Int2 ist mit Ausstrahlung vom Licht verbunden (Phase 3). Im Falle von Luciferin handelt es sich um ein gelbgrünes Licht von 550-570 nm Wellenlänge.
Meeresorganismen, die blau leuchten, nutzen eine sehr ähnliche chemische Reaktion, aber nur mit anderen Substraten. Es wird vermutet, dass die blaue Lumineszenz bei Meereslebewesen aus Evolutionsgründen vorwiegt, weil die blaue Strahlung im Wasser weniger absorbiert wird und deswegen eine grössere Reichweite hat.
Die auf der Luciferase-katalysierten Reaktion von Luciferin und Sauerstoff basierte Biolumineszenz wird heutzutage intensiv in Biologie und Biochemie verwendet.
Mit Hilfe von Biolumineszenz kann man z.B. kleine Konzentrationen von ATP bestimmen (ATP ist notwendig für die Oxidation von Luciferin). Eine weitere High-Tech Anwendung ist die Verfolgung der Vebreitung der Gene, die Luciferase exprimieren (Reportergene). Durch einen einfachen Versuch wird nachgewiesen, ob die gewünschten Gene übetragen wurden – im positivem Fall beobachtet man die typische Biolumineszenz.
Biolumineszenzbildgebung (im Englischen als „bioluminescence imaging“ bekannt) ist eine weitere fortgeschrittene Technik, die man zu nichtinvasiven Studien von vielen Prozessen in Organismen verwenden kann. Mit Hilfe einer speziellen Linie von biolumineszenten Krebszellen kann man die Krebsverbreitung in Versuchstieren beobachten, ohne dass diese getötet werden müssen. So kann man die Krankheiten besser verstehen und effektivere Therapien entdecken.
Solche und ähnliche Anwendungen von Biolumineszenz werden heute intensiv erforscht und stellen ein dynamisches Fachgebiet dar.