Bioluminiscencia: ¿Brilla incluso aquello que no se puede ver?
Luis David Cevallos-Oleta e Israel Benítez-García
Resumen
Alguna vez te has preguntado: ¿Cómo es que las luciérnagas brillan? Pues yo sí, y eso me ha llevado a hacerme otras, por ejemplo: ¿Por qué brillan? ¿Existen otros organismos capaces de producir luz de la misma manera? ¿Por qué no hemos aprovechado esta capacidad para hacer nuestra vida más fácil? Si tienes una mente curiosa y te gustaría conocer la respuesta a algunas de estas interrogantes, te invito a leer este artículo y descubrir qué se encuentra más allá de la luz.
Palabras clave: Bioluminiscencia, biosensor, luciferasa, luciferina.
RECIBIDO: 30/11/2023; ACEPTADO: 13/03/2024; PUBLICADO: 14/05/2025.
¿Qué es la bioluminiscencia?
La capacidad de algunos organismos vivos de producir luz por medio de reacciones químicas, sin necesidad de combustión ni la generación significativa de calor, es conocida como bioluminiscencia y está presente en una gran variedad de organismos en nuestro planeta. Esta capacidad llega a presentarse en especies muy variadas entre sí, como los hongos fructíferos terrestres, escarabajos, gusanos, las propias luciérnagas, entre muchos otros.
La capacidad de los organismos para emitir luz es fascinante desde un punto de vista estético y evolutivo, aparte de que también se ha convertido en una herramienta en laboratorios de investigación. Pero antes de entrar en detalle acerca de los mecanismos de la bioluminiscencia, es importante que hagamos algunas aclaraciones. La bioluminiscencia no es lo mismo que la fosforescencia o que la fluorescencia. Estos tres fenómenos tienen en común su resultado, la emisión de luz; sin embargo, los mecanismos que les rigen son distintos.
La diferencia es que la fosforescencia y fluorescencia se basan en la absorción de luz para su posterior «liberación», mientras que la bioluminiscencia puede darse sin la absorción previa de la misma, ya que la luz es creada por una reacción química. Es crucial aclarar la diferencia para no confundir a ciertos organismos que son capaces de emitir luz, pero no son bioluminiscentes, como es el caso de los escorpiones, que son capaces de absorber luz ultravioleta y liberar una luz azulada solo mientras sean iluminados con esta luz en específico, características que pertenecen a los organismos fluorescentes.
Ahora, ¿cómo es que los organismos bioluminiscentes producen luz?
Para comprender los mecanismos de la bioluminiscencia es fundamental entender lo que conocemos coloquialmente como «luz». La luz visible forma parte del espectro electromagnético, una clasificación que hemos dado a los fenómenos relacionados con los fotones y la frecuencia a la que estos viajan. Un fotón es una partícula elemental, es decir, que no está conformada por otras partículas más pequeñas, como es el caso de los átomos que están conformados por electrones, neutrones y protones que, a su vez, están conformados por otras partículas elementales.
Los fotones presentan propiedades únicas que les confieren cualidades fascinantes, una de ellas es que son capaces de viajar por el espacio a distintas frecuencias ondulatorias; es fácil imaginar este movimiento como el de una cuerda de guitarra vibrando: puede vibrar más rápido o más lento haciendo que la frecuencia a la que la cuerda sube y baja sea mayor o menor. Nuestros ojos son capaces de percibir los fotones cuando estos viajan a ciertas frecuencias. La «luz» con frecuencias más bajas es percibida en tonos de color rojizo, mientras que las frecuencias más altas pertenecen a los tonos de color azulado. Los fotones pueden viajar en frecuencias aún más bajas como la luz infrarroja o las ondas de radio, así como frecuencias más altas como la luz ultravioleta o los rayos X. Nuestros ojos no son capaces de percibir ninguna de estas frecuencias.
Ahora, volviendo a los organismos bioluminiscentes, estos son capaces de emitir luz gracias a que han evolucionado para generar moléculas especializadas llamadas luciferinas, las cuales, como la mayoría de las moléculas, tienen una estructura estable, incapaz de emitir luz. Sin embargo, tras oxidarse (perder electrones), se convierten en estructuras inestables con sus electrones fuera de sus órbitas innatas. Este estado no puede mantenerse por mucho tiempo, así que el electrón debe deshacerse de la energía que lo impulsó a cambiar de orbital, liberando la energía en forma de radiación electromagnética, es decir, en forma de un fotón.
El proceso de oxidación de las luciferinas no es espontáneo; si lo fuera, los organismos bioluminiscentes no serían capaces de controlar cuándo y cómo brillar. Como ocurre en seres vivos, las reacciones químicas no espontáneas son catalizadas por enzimas (proteínas capaces de acelerar una reacción). En el caso de las luciferinas, estas cuentan con las luciferasas, enzimas que, en presencia de oxígeno, son capaces de oxidar a las luciferinas. Estas enzimas representan un gasto energético para los organismos, utilizando una molécula de ATP o Adenosín trifosfato, una molécula que cumple una función similar a una batería, como fuente de energía de la reacción.
¿Por qué gastar tantos recursos en brillar?
Tomando en cuenta todo el gasto energético y de recursos que la bioluminiscencia supone, cabe preguntarse si esta habilidad resulta rentable. Los usos dados a esta capacidad son tan variados como la propia morfología y hábitat de los organismos que la poseen. En el caso de los hongos, que cuentan con una luz verdosa, se tiene como teoría principal que el objetivo de su luz es atraer insectos hacia su órgano fructífero; cuando estos interaccionan con él mismo, liberan sus esporas y las diseminan a su paso, sirviendo así al proceso reproductivo del hongo.
Las luciérnagas también aprovechan esta capacidad en su proceso reproductivo, pero de una forma distinta, ya que la utilizan para atraer e identificar a posibles compañeros para reproducirse. Con su luz amarillenta, claramente distinguible en la oscuridad de la noche, son capaces de modular la intensidad y la duración de su brillo, creando así patrones que permiten a otros miembros aptos de la misma especie encontrarlas rápidamente. Los organismos marinos cuentan con una luz generalmente azulada, la cual curiosamente es capaz de viajar mayores distancias en el lecho marino comparado a otros colores. En lo referente a su aplicación, estas podrían ser mucho más variadas que en el caso de los hongos.
Muchos de los organismos que aparentan ser bioluminiscentes en realidad solo hospedan a bacterias que sí tienen dicha capacidad. Este huésped disfruta de muchos beneficios, como utilizar esta capacidad como un cebo para atraer presas, para deslumbrar a depredadores o incluso como un método de comunicación en el fondo marino, en donde quizás la única fuente de luz, sea la propia. Podemos intuir que los colores, intensidad y propiedades de la luz que estas moléculas presentan, no son una coincidencia, son el resultado de millones de años de evolución que han otorgado a estos organismos la mejor herramienta para cada trabajo.
¿Aprovechamos la bioluminiscencia?
Es fácil pensar que no aprovechamos del todo la bioluminiscencia. El beneficio que hemos obtenido no es algo apreciable en el día a día, no vamos de noche por una calle iluminada por hongos o biorreactores llenos de bacterias brillantes. La realidad de cómo hemos aprovechado a estos seres vivos es mucho menos llamativa, pero no menos importante.
Uno de los primeros usos que se le dio a la bioluminiscencia fue como indicador de procesos que de otra manera serían «invisibles» para nosotros. Por ejemplo, desde hace muchos años, se ha aprovechado a las luciferinas con sus respectivas luciferasas para, en ratones, rastrear la migración de células y su proliferación in vivo, es decir, podemos ver la evolución y ubicación de células específicas, incluyendo a células cancerosas. Esto nos ha permitido rastrear en una escala macroscópica la proliferación y metástasis del cáncer. Gracias a estas mismas técnicas, e igualmente en ratones, hemos sido capaces de seguir el tráfico de linfocitos (células del sistema inmune), su reproducción y dirección. Este tipo de implementación ha ampliado enormemente nuestro entendimiento de procesos complejos y de difícil seguimiento dentro de organismos enfermos.
Los ejemplos mencionados son solo algunas formas de aplicación que tenemos para la bioluminiscencia; sin duda, el ingenio humano puede y ha dado para mucho más. Hemos sido capaces de medir contaminantes en el medioambiente de forma ultra precisa, aprovechando la bioluminiscencia, incluso se experimenta hoy día con la activación de rutas metabólicas completas con la exposición intracelular de proteínas fotorreceptoras a ciertas frecuencias de radiación electromagnética.
Si logramos conseguir la modificación avanzada y minuciosa de las luciferinas y luciferasas, podríamos comenzar una revolución en todo lo que se ha logrado hasta ahora y se cree posible en este campo de la ciencia.
Luis David Cevallos-Oleta. Estudiante de Maestría en Ciencias Aplicadas, Universidad Politécnica de Sinaloa. Mazatlán, Sinaloa.
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Israel Benítez-García. Profesor del programa académico de Ingeniería en Biotecnología y Coordinador de la Maestría en Ciencias Aplicadas de la Universidad Politécnica de Sinaloa. Mazatlán, Sinaloa.
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Acosta J. y Laguna L. (2022). ¡Hágase la luz!: Hongos bioluminiscentes y sus aplicaciones biotecnológicas. RD-ICUAP, 8(22), 114-126. https://rd.buap.mx/ojs-dm/index.php/rdicuap/article/view/684/891
Love A. y Prescher J. (2020). Seeing (and using) the light: Recent Developments in Bioluminescence Technology. Cell Chemical Biology, 27(8), 904-920. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2020.07.022
Sáenz C. y Nevárez G. (2010). La bioluminiscencia de microorganismos marinos y su potencial biotecnológico. Acta Química Mexicana, 2(3). https://www.academia.edu/27872472/LA_BIOLUMINISCENCIA_DE_MICROORGANISMOS_MARINOS_Y_SU_POTENCIAL_BIOTECNOLÓGICO