La batteria luminosa accrebbe negli studi nel 1870 e 27 specie furono descritte nel 1900. Il presente conteggio di specie marine con batteria luminosa è di 10, tre di queste assegnate al genere dei Protobatteri, cinque ai Vibrio, e due agli Shewanella. La tassonomia è stata frequentemente rivista e alcune delle specie, precedentemente collocate tra i Protobatteri, Acromobatteri, Lucibatteri, Neisseria e Beneckea, ora sono collocate tra i Vibro.
Ci sono anche due batterie luminose non-marine, luminescenze Photorhabdus (Xernohabdus) e un tipo di Vibrio cholerae.
Meccanismo
Come è prodotta la luce? La bioluminescenza involve l’ossidazione di un substrato (genericamente conosciuto come luciferino) nella presenza di un enzima (luciferasi). Il battere lciferasi ossida FMNH2, in presenza di una lunga catena aldeide (tetradecanal). Tutta la batteria luminosa condivide questa reazione, ma i suoi sistemi di controllo differiscono. Nei Vitrio la reazione emette una luce blu-verde con un massimo di 485-495 nm, ancora la luce da un Vibrio bischeri in vita è più blu (max a 475 nm) perché una proteina blu fluorescente (o proteina luminare) accoglie energia dalla reazione ed emette luce della sua stessa caratteristica lunghezza d’onda. Un tipo di V. bischeri ha inoltre una proteina fluorescente gialla (YFP) ed emette luce gialla (max a 450 nm) (figura 1).
Una singola e isolata batteria non cresce ma colonizza. Cellule individuali producono un autoinduzione, con accumulazioni medie e critiche di concentrazione che stimolano la produzione di luciferase, e con esso accendendo la luminescenza. Differenti specie hanno differenti induttori, ma sistemi simili. L’autoinduzione della luminescenza è un esempio, nel quale la densità della popolazione (segnalata chimicamente) induce processi metabolici, inclusi virulenza, in molte batterie non-luminose.
Genetica della luminescenza
L’emissione di luce dalla batteria marina è facile da individuare. Specie come i V. bischeri sono facili da studiare e deboli e confuse mutazioni sono facili che appaino. Questi fattori hanno aiutato ad analizzare le basi genetiche della luminescenza.
La luciferase batterica è composta da due sottounità, A e B, cifrati dal gene LuxA e LuxB. Altri 3 geni (LuxC, D e E) controllano la biosintesi del tetradecanal. Altri geni sono essenziali in particolari specie, LuxF, G, H, L e Y sono involti nel metabolismo flavine, nelle proteine lumazine e nel colore della luce. Dei geni regolatori nei V. bischeri, LuxI controlla la produzione dell’autoinduzione e il LuxR codifica la proteina recettrice dell’autoinduzione. L’interazione tra il processo di autoinduzione e proteina, stimola la trascrizione del LuxICDABEG operon, producendo luce. Vibrio harveyi hanno un differente sistema di regolazione che coinvolge due autoinduttori e il suo alfabeto genetico include LuxL, M, N, Q, R, S e T (dove il LuxL e il LuxR sono differenti nella sequenza e nella funzione rispetto al LuxL e il LuxR dei Vibrio bischeri)
Applicazioni
I geni luciferase furono clonati negli anni Ottanta del Novecento e la facilità con cui questi e altri geni possono essere trasferiti in un’ampia varietà di organismi ha fornito un quasi impareggiabile area di tools per lo studio della regolazione dei processi intracellulari e per il cammino del corso di batteri differenti sotto un’ampia varietà di condizioni. L’uso di questi tools è in continua espansione e le sue applicazioni come cronisti di, per esempio, espressioni genetiche, quorum sensing[1], l’indagine batterica e la vitalità cellulare sono un enorme valore di commercio e di ricerca.
Distribuzione
La batteria luminosa marina si trova in condizioni libere parassitiche, simbiotiche, commensali e saprofiti. Molte specie possono essere trovate in più di un unico habitat, basti pensare alle specie composite nelle varietà piene dell’acqua marina, in differenti stagioni e regioni e in base alla temperatura dell’acqua. Photobacteri phosphoreum crescono a basse temperature più della altre specie e sono più abbondanti nelle acque del nord, in inverno e in acque profonde. Così nelle acque californiane i V. bischeri si trovano per tutto l’anno mentre i V. harveyi predominano in estate e i P. phosphoreum sono occasionalmente presenti in invero. Le prime due specie si trovano per il 99% in isole e in un tesso di densità del 1-5 per ml. Nei campioni provenienti dal Porto Rico Trench, P. phosphoreum è presente tra i 200 e i 1000 m (al 1-4 cellule per ml).
Ci sono davvero batterie luminose marine in specie in libertà? Possibilmente no. Gli oceani contengono lanuginosi aggregati organici, conosciuti come neve marina, su cui la batteria luminosa abbonda (nelle acque californiane 63% dei presenti aggregati di notte a 60 metri sono luminosi). Colonie saprofitiche si trovano sulla superficie di pesci e gusci lesionati dei crostacei. Letali (parassitiche) infezioni cagionano la luminescenza alle pulci di mare. Popolazioni commensali di V. bischeri, V. harveyi e P. phosphoreum sono particolarmente abbondanti nelle viscere dei gamberetti e dei pesci, queste feci contengono una vitale batteria luminosa e spesso facilmente visibile, entrambi mentre affondano e quando si radunano in bocche di sedimenti. La più profonda (e fredda) zona dell’acqua abbonda di P. phosphoreum, l’unica specie presente. Come il più comune habitat per molte batterie luminose appare essere fra la vorace flora dei pesci, il valore della bioluminescenza nel battere può essere di attrarre un pesce per ingerire una particella luminosa. Un singolo battere emette solo un 10³ fotoni per secondo e può essere invisibile al pesce o al crostaceo, ma la densità di popolazione sufficiente a innescare un autoinduzione sarà luminosa abbastanza per vederla. Colonie luminose in feci o neve marina sono il modo dei batteri per passare da un succo nutritivo ad un altro.
L’effetto di diluizione dell’acqua marina potrebbe prevenire l’autoinduzione delle batterie a vita libera. Ciò non di meno, un raro fenomeno, il Milky Sea, è stato attribuito a loro. I naviganti lo descrivono come un imbarco sopra un mare di latte, con il cielo scuro e l’intera superficie marina all’orizzonte fermamente luminosa. Accorre molto frequentemente nel Golfo arabo durante i monsoni sud-occidentali (Luglio e Agosto). La spiegazione più accettabile e è una batteria luminosa, che cresce sulla superficie delle feci causate dalla decomposizione di un fiore di un alga, frequente in quel periodo. L’unico studio scientifico nel cuore del Milky Sea trovò in vero entrambi V. harveyi e alghe luminose, ma l’apparente densità della batteria nell’acqua di mare era troppo bassa per un autoinduzione tale da provocare una luminescenza così visibile, così l’ipotesi batterica rimane la più verosimile ma ancora non dimostrata.
Simbiosi
La luminescenza è un’importante qualità. Sebbene l’energia luminosa sia pari allo 0.01% del consumo totale delle cellule batteriche, il 5% delle proteine batteriche può essere dedicato alla luminescenza. Il principale ruolo ecologico della batteria luminosa è quella di fungere probabilmente a sorgente di luce per altri. Molti organismi marini, dai dinoflagellati ai pesci, sono bioluminescenti. Molte specie hanno i loro proprio sistemi luciferase, ma alcuni pesci e calamari appaltano il lavoro di produzione di luce alla batteria luminosa coltivando loro come simbiosi extracellulari in organi speciali di luce. Questo splendido adattamento ciò non di meno ha i suoi inconvenienti. L’ospite necessita (1) di mantenere la batteria in buone condizioni (o la luce si esaurisce) e di eliminare quella andata o in surplus, (2) di restringere la batteria alle circostanze desiderate e non lasciarla diffondere dappertutto, (3) di essere capace di accendere e spegnere la luce grazie alla volontà (una batteria indotta brilla continuamente) e (4) di garantire che le simbiosi giuste passino alle generazioni future.
Nessuna di queste cose è facile – o si è scoperto come essi facciano ciò. Ci sono circa una dozzina di gruppi di pesci che adoperano simbiosi luminose, tutte nel profondo mare (spookfish, melanoceti e rattail fish) e in acque basse (ponifish e flashlight fish). Pesci dall’acqua bassa e calamari usano V. fisheri o fotobatteri leiognathi per la loro simbiosi, mentre pesci abissali, non in modo sorprendente, usano P. phosphoreum. Melanoceti (anglerfish) e flashlight fish contengono batterie che non possono essere studiate in vitro (figure 2 e 3).
L’associazione è molto specifica – per ogni specie ospite solo un tipo di battere viene utilizzato e le popolazioni negli organi di luce sembra che possano essere clonati. Gli organi di luce per la maggior parte dei pesci usano V. bischeri, P. leiognathi o P. phosphoreum cresciuti come sacche da parti differenti degli intestini. La semplice simbiosi deve essere selezionata dagli organi di luce dalla normale flora intestinale. Animali di questi organi di luce non si aprono dentro gli intestini (anglerfish, flashlight fish, pinecone fish e calamari) hanno un più difficile incarico, ma questi organi di luce fanno da apertura per l’esterno, attraverso cui colonizzazioni presumibilmente prendono posto. Cosi come noi non possiamo studiarela simbiosi dell’anglerfish (il melanoceto) e del flashlight fish, così non possiamo sapere quanto abbondano nelle acque del mare. Il dato genetico ci suggerisce che essi sono imparentati con le specie Vibrio e, eccezionalmente, che ogni specie del melanoceto ha una differente simbiosi.
Gli organi di luce dei pesci e dei calamari disperde la batteria nelle acque circostanti, in una continua sgocciolatura nel caso dei pesci e con un espulsione giornaliera del 95% della batteria nel caso dei calamari. Il tempo di sgocciolatura della batteria nell’organo di luce è più bassa (8 ore in 5 giorni) rispetto a quella analizzata in vitro, ma non si è ancora certi come l’ospite controlli il tasso di crescita. La dispersione di entrambe le simbiosi forniscono una riserva ambientale per il nuovo contagio di giovani e offre un campo per più ampi scambi genetici.
Gli organi di luce delle larve di calamari e ponyfish acquisiscono la loro batteria solo una volta scoperti nell’acqua recentemente occupata dagli adulti. Entrambi i calamari Euprymna scolopes e il suo simbionte V. bischeri possono essere studiati separatamente e le manipolazioni dei processi di infezione hanno chiarito come il giusto battere sia riconosciuto e acquisito (fig. 5).
Nel periodo della covazione l’organo di luce larvale non contiene batteria, ma l’acqua del luogo contiene circa 500 V. fischeri cellule per ml. Lobi ciliati sull’organo di luce raccoglie questa batteria, che poi nuota in cripte nel cuore dell’organo. Lì crescono molto rapidamente (tempi di diffusione di 20 minuti) fino a che le cripte siano riempite. V. fischeri è specificamente riconosciuto dalle cellule nella cripta, incominciando cambiamenti morfologici locali e mandando un segnale ai lobi ciliati che poi avvizzisce irreversibilmente in un processo di cellula programmata di morte. La specificità dell’associazione è migliorata dal ruolo del V. fischeri luciferase.
Le batterie marine luminose non sono semplici obiettivi di curiosità ma risorse per una moltitudine di applicazione biomediche, tano validi quanto i loro ospiti.
[1] Il quorum sensing è la capacità di una batteria di comunicare e coordinare il comportamento attraverso bioluminescenza o segnalazioni molecolari
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