Les organismes bioluminescents ont évolué des dizaines de fois au cours de leur cycle biologique. Quelle biochimie est nécessaire pour éclairer les ténèbres? Diverses études sont consacrées à cette question. Plongez assez profondément dans les profondeurs de l'océan, et vous ne verrez pas l'obscurité, mais la lumière. 90% des poissons et de la vie marine qui se développent à des profondeurs de 100 ou même 1000 mètres sont capables de produire leur propre lumière. Les poissons à lampe de poche chassent et communiquent en utilisant une sorte de code Morse envoyé par des poches lumineuses sous les yeux. Les poissons de la famille des Platytroctidae tirent de l'encre rougeoyante sur leurs agresseurs. Les poissons hachettes se rendent invisibles en émettant de la lumière dans leurs abdomens pour simuler la lumière du soleil descendante; les prédateurs les regardent et ne voient qu'une lueur continue.
Les scientifiques ont répertorié des milliers d'organismes bioluminescents dans l'arbre de vie et s'attendent à en ajouter d'autres. Cependant, ils se demandent depuis longtemps comment la bioluminescence est née. Maintenant, comme le montrent des études récemment publiées, les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans la compréhension des origines de la bioluminescence - à la fois évolutivement et chimiquement. De nouvelles connaissances pourraient un jour permettre l'utilisation de la bioluminescence dans la recherche biologique et médicale.
L'un des défis de longue date est de déterminer combien de fois une seule bioluminescence s'est produite. Combien d'espèces lui sont venues indépendamment les unes des autres?
Alors que certains des exemples les plus connus de lumière dans les organismes vivants sont terrestres - pensez aux lucioles, par exemple - la plupart des événements évolutifs associés à la bioluminescence ont eu lieu dans l'océan. La bioluminescence est pratiquement et apparemment absente chez tous les vertébrés terrestres et plantes à fleurs.
Au plus profond de l'océan, la lumière offre aux organismes un moyen unique d'attirer des proies, de communiquer et de se défendre, explique Matthew Davis, biologiste à la Saint Cloud State University dans le Minnesota. Dans une étude publiée en juin, lui et ses collègues ont découvert que les poissons qui utilisent la lumière pour communiquer et signaler la parade nuptiale étaient particulièrement courants. Sur une période d'environ 150 millions d'années - pas longtemps selon les normes de l'évolution - ces poissons se sont largement répandus en plus d'espèces que les autres poissons. Les espèces bioluminescentes qui utilisaient leur lumière exclusivement pour le camouflage, en revanche, n'étaient pas aussi diverses.
Les signaux de mariage peuvent être modifiés relativement facilement. Ces changements, à leur tour, peuvent créer des sous-groupes dans la population, qui finissent par se diviser en espèces uniques. En juin, Todd Oakley, biologiste évolutionniste à l'Université de Californie à Santa Barbara, et l'une de ses étudiantes, Emily Ellis, ont publié une étude montrant que les organismes utilisant la bioluminescence comme signaux d'accouplement avaient beaucoup plus d'espèces et un taux d'accumulation d'espèces plus rapide que leurs proches qui n'utilisent pas la lumière. Oakley et Ellis ont étudié dix groupes d'organismes, notamment des lucioles, des poulpes, des requins et de minuscules arthropodes, des ostracodes.
Les recherches de Davis et de ses collègues se sont limitées aux poissons à nageoires rayonnées, qui représentent environ 95% des espèces de poissons. Davis a calculé que même dans ce seul groupe, la bioluminescence s'est développée au moins 27 fois. Stephen Haddock, biologiste marin au Monterey Bay Aquarium Research Institute et expert en bioluminescence, a estimé que parmi toutes les formes de vie, la bioluminescence apparaissait indépendamment au moins 50 fois.
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De nombreuses façons de s'enflammer
Dans presque tous les organismes lumineux, la bioluminescence nécessite trois ingrédients: l'oxygène, le pigment électroluminescent luciférine (du mot latin lucifer, signifiant «porteur de lumière») et l'enzyme luciférase. Lorsque la luciférine interagit avec l'oxygène - via la luciférase - elle forme un composant excité et instable que l'ensemble émet, revenant à un état d'énergie inférieure.
Curieusement, il y a beaucoup moins de luciférines que de luciférase. Bien que les espèces aient tendance à avoir une luciférase unique, de très nombreuses espèces ont la même luciférine. Seules quatre luciférines sont responsables de la production de la plupart de la lumière dans l'océan. Sur près de 20 groupes d'organismes bioluminescents dans le monde, neuf d'entre eux émettent de la lumière à partir de la luciférine appelée coelentérazine.
Cependant, ce serait une erreur de croire que tous les organismes contenant de la coelentérazine descendent d'un ancêtre lumineux. Si tel était le cas, pourquoi développeraient-ils un si large spectre de luciférase, demande Warren Francis, biologiste à l'Université Ludwig Maximilian de Munich. Vraisemblablement, la première paire de luciférine-luciférase aurait dû survivre et se multiplier.
Il est également probable que bon nombre de ces espèces ne produisent pas de coelentérazine par elles-mêmes. Au lieu de cela, ils l'obtiennent de leur alimentation, explique Yuichi Oba, professeur de biologie à l'Université Chubu au Japon.
En 2009, une équipe dirigée par Oba a découvert qu'un crustacé des grands fonds (copépodes) - un petit crustacé répandu - fabriquait sa coelentérazine. Ces crustacés sont une source de nourriture extrêmement abondante pour un large éventail d'animaux marins - si abondants qu'ils sont appelés «riz dans l'océan» au Japon. Il pense que ces crustacés sont la clé pour comprendre pourquoi tant d'organismes marins sont bioluminescents.
Ses collègues et tous les deux ont pris des acides aminés, qui seraient les éléments constitutifs de la coelentérazine, les ont étiquetés avec un marqueur moléculaire et les ont chargés dans la nourriture pour les copépodes. Ensuite, ils ont donné cette nourriture aux crustacés du laboratoire.
Après 24 heures, les scientifiques ont extrait la coelentérazine des crustacés et ont examiné les marqueurs qui ont été ajoutés. De toute évidence, ils étaient partout - ce qui était la preuve ultime que les crustacés synthétisaient des molécules de luciférine à partir d'acides aminés.
Même les méduses qui ont découvert la coelentérazine pour la première fois (et qui ont été nommées d'après) ne produisent pas de coelentérazine. Ils obtiennent leur luciférine en mangeant des crustacés et autres petits crustacés.
Des origines mystérieuses
Les scientifiques ont trouvé un autre indice qui pourrait aider à expliquer la popularité de la coelentérazine chez les animaux des grands fonds: cette molécule se trouve également dans des organismes qui n'émettent pas de lumière. Cela a frappé Jean-François Ries, biologiste à l'Université catholique de Louvain en Belgique, comme étrange. Il est surprenant que «tant d'animaux dépendent de la même molécule pour produire de la lumière», dit-il. Peut-être que la coelentérazine a d'autres fonctions que la luminescence?
Dans des expériences avec des cellules hépatiques de rat, Reese a montré que la coelentérazine est un antioxydant puissant. Son hypothèse: la coelentérazine s'est peut-être d'abord répandue parmi les organismes marins vivant dans les eaux de surface. Là, l'antioxydant pourrait fournir la protection nécessaire contre les effets oxydants des rayons nocifs du soleil.
Lorsque ces organismes ont commencé à coloniser les eaux océaniques plus profondes, où le besoin d'antioxydants est moindre, la capacité de la coelentérazine à émettre de la lumière s'est avérée utile, a suggéré Reese. Au fil du temps, les organismes ont développé différentes stratégies - comme la luciférase et des organes lumineux spécialisés - pour améliorer cette qualité.
Cependant, les scientifiques n'ont pas compris comment d'autres organismes, pas seulement les copépodes Oba, fabriquent la coelentérazine. Les gènes qui codent pour la coelentérazine sont également complètement inconnus.
Prenez la gelée de peigne, par exemple. Ces anciennes créatures marines - considérées par certains comme la première branche de l'arbre animal - ont longtemps été soupçonnées de produire de la coelentérazine. Mais personne n'a été en mesure de le confirmer, encore moins d'identifier des instructions génétiques spécifiques au travail.
L'année dernière, cependant, il a été rapporté qu'un groupe de chercheurs dirigé par Francis et Haddock est tombé sur un gène qui pourrait être impliqué dans la synthèse de la luciférine. Pour ce faire, ils ont étudié les transcriptomes des cténophores, qui sont des instantanés des gènes qu'un animal exprime à un moment donné. Ils ont recherché des gènes codés pour un groupe de trois acides aminés - les mêmes acides aminés qu'Oba donnait à ses copépodes.
Parmi 22 espèces de cténophores bioluminescents, les scientifiques ont trouvé un groupe de gènes correspondant à leurs critères. Ces mêmes gènes étaient absents dans deux autres espèces de cténophores non luminescentes.
Nouveau monde
Le mécanisme génétique de la bioluminescence a des applications en dehors de la biologie évolutive. Si les scientifiques peuvent isoler les gènes des paires luciférine et luciférase, ils pourraient potentiellement faire briller les organismes et les cellules, pour une raison ou une autre.
En 1986, des scientifiques de l'Université de Californie à San Diego ont modifié et incorporé le gène de la luciférase de luciole dans des plants de tabac. L'étude a été publiée dans la revue Science, mettant en vedette l'une de ces plantes qui brillait étrangement sur un fond sombre.
Cette plante ne produit pas de lumière seule - elle contient de la luciférase. Mais pour que ce tabac brille, il faut l'arroser avec une solution contenant de la luciférine.
Trente ans plus tard, les scientifiques n'ont toujours pas été en mesure de créer des organismes auto-lumineux en utilisant le génie génétique, car ils ne connaissent pas les voies de biosynthèse de la plupart des luciférines. (La seule exception a été trouvée dans les bactéries: les scientifiques ont pu identifier les gènes luminescents qui codent pour le système bactérien luciférine-luciférase, mais ces gènes doivent être modifiés pour être utiles à tout organisme non bactérien.)
L'une des plus grandes utilisations potentielles de la luciférine et de la luciférase en biologie cellulaire est de les incorporer sous forme de bulbes dans les cellules et les tissus. Ce type de technologie serait utile pour suivre la localisation des cellules, l'expression des gènes, la production de protéines, explique Jennifer Prescher, professeur de chimie à l'Université de Californie à Irvine.
L'utilisation de molécules de bioluminescence sera tout aussi utile que l'utilisation d'une protéine fluorescente, qui est déjà utilisée pour surveiller le développement des infections à VIH, pour visualiser les tumeurs et suivre les lésions nerveuses dans la maladie d'Alzheimer.
Actuellement, les scientifiques utilisant la luciférine pour des expériences d'imagerie doivent en créer une version synthétique ou l'acheter à 50 $ le milligramme. L'introduction de la luciférine de l'extérieur dans la cellule est également difficile - ce ne serait pas un problème si la cellule pouvait fabriquer sa propre luciférine.
Les recherches se poursuivent et définissent progressivement les processus évolutifs et chimiques sur la manière dont les organismes produisent la lumière. Mais la majeure partie du monde bioluminescent est encore dans l'obscurité.
Ilya Khel
