Organisme bercahaya telah berevolusi puluhan kali selama sejarah kehidupan. Biokimia apa yang dibutuhkan untuk menerangi kegelapan? Berbagai penelitian dikhususkan untuk masalah ini. Terjunlah cukup dalam ke kedalaman laut, dan Anda tidak akan melihat kegelapan, tetapi cahaya. 90% ikan dan biota laut yang hidup di kedalaman 100 bahkan 1000 meter mampu menghasilkan cahaya sendiri. Senter berburu ikan dan berkomunikasi menggunakan semacam kode Morse yang dikirim oleh kantong lampu di bawah mata. Ikan dari keluarga Platytroctidae menembakkan tinta bersinar ke penyerang mereka. Ikan hatchet membuat dirinya tidak terlihat dengan memancarkan cahaya di perutnya untuk mensimulasikan sinar matahari yang turun; predator melihat mereka dan hanya melihat cahaya terus menerus.
Para ilmuwan telah mengindeks ribuan organisme bercahaya di sepanjang pohon kehidupan dan berharap dapat menambahkan lebih banyak lagi. Namun, mereka telah lama bertanya-tanya bagaimana bioluminesensi bisa terjadi. Sekarang, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian yang baru-baru ini diterbitkan, para ilmuwan telah membuat kemajuan signifikan dalam memahami asal-usul bioluminesensi - baik secara evolusi maupun kimiawi. Wawasan baru suatu hari nanti memungkinkan bioluminescence digunakan dalam penelitian biologi dan medis.
Salah satu tantangan lama adalah menentukan berapa kali satu bioluminescence telah terjadi. Berapa banyak spesies yang datang kepadanya secara independen satu sama lain?
Sementara beberapa contoh cahaya yang paling terkenal pada organisme hidup adalah terestrial - bayangkan kunang-kunang, misalnya - sebagian besar peristiwa evolusi yang terkait dengan bioluminesensi terjadi di laut. Bioluminescence hampir dan tampaknya tidak ada di semua vertebrata darat dan tumbuhan berbunga.
Di kedalaman laut, cahaya memberi organisme cara unik untuk menarik mangsa, berkomunikasi, dan membela diri, kata Matthew Davis, ahli biologi di Saint Cloud State University di Minnesota. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada bulan Juni, dia dan rekan-rekannya menemukan bahwa ikan yang menggunakan cahaya untuk berkomunikasi dan memberi tanda pacaran sangat umum. Selama periode sekitar 150 juta tahun - tidak lama menurut standar evolusi - ikan semacam itu telah menyebar secara luas ke lebih banyak spesies daripada ikan lain. Spesies bercahaya, yang menggunakan cahayanya secara eksklusif untuk kamuflase, di sisi lain, tidak begitu beragam.
Tanda pernikahan bisa diubah dengan relatif mudah. Perubahan ini, pada gilirannya, dapat membuat subkelompok dalam populasi, yang akhirnya terpecah menjadi spesies unik. Pada bulan Juni, Todd Oakley, seorang ahli biologi evolusi di University of California, Santa Barbara, dan salah satu mahasiswanya, Emily Ellis, menerbitkan sebuah penelitian yang menunjukkan bahwa organisme yang menggunakan bioluminescence sebagai sinyal kawin memiliki lebih banyak spesies dan laju akumulasi spesies yang lebih cepat daripada kerabat dekat mereka yang tidak menggunakan cahaya. Oakley dan Ellis mempelajari sepuluh kelompok organisme, termasuk kunang-kunang, gurita, hiu, dan arthropoda kecil, ostracoda.
Penelitian Davis dan koleganya dibatasi pada ikan sirip pari, yang mencakup sekitar 95% spesies ikan. Davis menghitung bahwa bahkan dalam satu kelompok ini, bioluminescence berkembang setidaknya 27 kali. Stephen Haddock, ahli biologi kelautan di Institut Riset Akuarium Monterey Bay dan ahli bioluminesensi, memperkirakan bahwa di antara semua bentuk kehidupan, bioluminesensi muncul secara independen setidaknya 50 kali.
Video promosi:
Banyak cara untuk menyalakannya
Di hampir semua organisme bercahaya, bioluminesensi membutuhkan tiga bahan: oksigen, pigmen pemancar cahaya luciferin (dari kata Latin lucifer, yang berarti "membawa cahaya"), dan enzim luciferase. Ketika luciferin berinteraksi dengan oksigen - melalui luciferase - ia membentuk komponen yang tereksitasi dan tidak stabil yang dipancarkan himpunan tersebut, kembali ke keadaan energi yang lebih rendah.
Anehnya, luciferin jauh lebih sedikit daripada luciferase. Meskipun spesies cenderung memiliki luciferase yang unik, sangat banyak spesies yang memiliki luciferin yang sama. Hanya empat luciferin yang bertanggung jawab untuk menghasilkan sebagian besar cahaya di lautan. Dari hampir 20 kelompok organisme bercahaya di dunia, sembilan di antaranya memancarkan cahaya dari luciferin yang disebut coelenterazine.
Namun, keliru jika percaya bahwa semua organisme yang mengandung coelenterazine diturunkan dari satu nenek moyang bercahaya. Jika itu masalahnya, mengapa mereka mengembangkan spektrum luciferase yang begitu luas, tanya Warren Francis, seorang ahli biologi di Ludwig Maximilian University di Munich. Diduga, pasangan pertama luciferin-luciferase seharusnya bertahan dan berkembang biak.
Kemungkinan juga banyak dari spesies ini tidak menghasilkan coelenterazine sendiri. Sebaliknya, mereka mendapatkannya dari makanan mereka, kata Yuichi Oba, seorang profesor biologi di Universitas Chubu di Jepang.
Pada tahun 2009, tim yang dipimpin oleh Oba menemukan bahwa krustasea laut dalam (copepoda) - krustasea kecil yang tersebar luas - membuat coelenterazine-nya. Krustasea ini adalah sumber makanan yang sangat melimpah untuk berbagai macam hewan laut - sangat melimpah sehingga mereka disebut "nasi di lautan" di Jepang. Menurutnya, krustasea ini adalah kunci untuk memahami mengapa begitu banyak organisme laut yang bercahaya.
Keduanya dan rekannya mengambil asam amino, yang diyakini sebagai bahan penyusun coelenterazine, menandainya dengan penanda molekuler, dan memasukkannya ke dalam makanan untuk copepoda. Kemudian mereka memberi makan makanan ini ke krustasea di laboratorium.
Setelah 24 jam, para ilmuwan mengekstraksi coelenterazine dari krustasea dan melihat penanda yang ditambahkan. Jelas, mereka ada di mana-mana - yang merupakan bukti utama bahwa krustasea mensintesis molekul luciferin dari asam amino.
Bahkan ubur-ubur yang pertama kali menemukan coelenterazine (dan dinamai menurut namanya) tidak menghasilkan coelenterazine sendiri. Mereka mendapatkan luciferin dengan memakan krustasea dan krustasea kecil lainnya.
Asal muasal yang misterius
Para ilmuwan telah menemukan petunjuk lain yang dapat membantu menjelaskan popularitas coelenterazine di antara hewan laut dalam: molekul ini juga ditemukan pada organisme yang tidak memancarkan cahaya. Hal ini menurut Jean-François Ries, seorang ahli biologi di Universitas Katolik Leuven di Belgia, sebagai hal yang aneh. Mengejutkan bahwa “begitu banyak hewan bergantung pada molekul yang sama untuk menghasilkan cahaya,” katanya. Mungkin coelenterazine memiliki fungsi lain selain luminescence?
Dalam percobaan dengan sel hati tikus, Reese menunjukkan bahwa coelenterazine adalah antioksidan kuat. Hipotesisnya: Coelenterazine mungkin pertama kali menyebar di antara organisme laut yang hidup di perairan permukaan. Di sana, antioksidan dapat memberikan perlindungan yang diperlukan terhadap efek oksidatif dari sinar matahari yang berbahaya.
Ketika organisme ini mulai menjajah perairan laut yang lebih dalam, di mana kebutuhan akan antioksidan lebih rendah, kemampuan coelenterazine untuk memancarkan cahaya menjadi berguna, saran Reese. Seiring waktu, organisme telah mengembangkan strategi yang berbeda - seperti luciferase dan organ ringan khusus - untuk meningkatkan kualitas ini.
Namun, para ilmuwan belum mengetahui bagaimana organisme lain, tidak hanya copepoda Oba, membuat coelenterazine. Gen yang mengkode coelenterazine juga sama sekali tidak diketahui.
Ambil jeli sisir, misalnya. Makhluk laut purba ini - dianggap oleh beberapa orang sebagai cabang pertama pohon hewan - telah lama diduga menghasilkan coelenterazine. Tapi tidak ada yang bisa memastikan ini, apalagi mengidentifikasi instruksi genetik spesifik yang bekerja.
Tahun lalu, bagaimanapun, dilaporkan bahwa sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Francis dan Haddock menemukan gen yang mungkin terlibat dalam sintesis luciferin. Untuk melakukan ini, mereka mempelajari transkriptom ctenofor, yang merupakan cuplikan dari gen yang diekspresikan hewan pada saat tertentu. Mereka mencari gen yang dikodekan untuk kelompok tiga asam amino - asam amino yang sama yang diberikan Oba ke copepodnya.
Di antara 22 spesies ctenophores bercahaya, para ilmuwan telah menemukan sekelompok gen yang sesuai dengan kriteria mereka. Gen yang sama ini tidak ada pada dua spesies ctenophore non-luminescent lainnya.
Dunia baru
Mekanisme genetik bioluminescence memiliki aplikasi di luar biologi evolusioner. Jika para ilmuwan dapat mengisolasi gen untuk pasangan luciferin dan luciferase, mereka berpotensi membuat organisme dan sel bersinar, karena satu dan lain hal.
Pada tahun 1986, para ilmuwan di University of California di San Diego memodifikasi dan memasukkan gen luciferase kunang-kunang ke dalam tanaman tembakau. Studi ini dipublikasikan di jurnal Science, yang menampilkan salah satu tanaman ini bercahaya menakutkan dengan latar belakang gelap.
Tanaman ini tidak menghasilkan cahaya dengan sendirinya - tanaman ini mengandung luciferase. Tetapi agar tembakau ini bersinar, harus disiram dengan larutan yang mengandung luciferin.
Tiga puluh tahun kemudian, para ilmuwan masih belum dapat menciptakan organisme bercahaya sendiri menggunakan rekayasa genetika, karena mereka tidak mengetahui jalur biosintesis untuk kebanyakan luciferin. (Satu-satunya pengecualian ditemukan pada bakteri: Para ilmuwan dapat mengidentifikasi gen bercahaya yang mengkode sistem luciferin-luciferase bakteri, tetapi gen ini perlu dimodifikasi agar berguna untuk organisme non-bakteri.)
Salah satu penggunaan potensial terbesar dari luciferin dan luciferase dalam biologi sel adalah untuk memasukkan mereka sebagai bulbs ke dalam sel dan jaringan. Teknologi semacam ini akan berguna untuk melacak lokasi sel, ekspresi gen, produksi protein, kata Jennifer Prescher, profesor kimia di Universitas California di Irvine.
Penggunaan molekul bioluminesensi akan sama bermanfaatnya dengan penggunaan protein fluoresen, yang telah digunakan untuk memantau perkembangan infeksi HIV, untuk memvisualisasikan tumor dan melacak kerusakan saraf pada penyakit Alzheimer.
Saat ini, para ilmuwan yang menggunakan luciferin untuk eksperimen pencitraan harus membuat versi sintetisnya, atau membelinya dengan harga $ 50 per miligram. Memperkenalkan luciferin dari luar ke dalam sel juga sulit - tidak akan menjadi masalah jika sel dapat membuat luciferinnya sendiri.
Penelitian terus berlanjut dan secara bertahap mendefinisikan proses evolusi dan kimiawi tentang bagaimana organisme menghasilkan cahaya. Tapi sebagian besar dunia bercahaya masih dalam kegelapan.
Ilya Khel
