PLONGEZ DANS LA
BIOLUMINESCENCE
La bioluminescence, comment ça marche ?
Aristote (-384 à -322) fut le premier à signaler l'émission de lumière par des poissons morts et des moisissures. Mais les premières expériences sur la bioluminescence furent réalisées par Boyle en 1667, qui démontra la nécessité de l'air pour la réalisation de ce phénomène. Cent ans plus tard, Scheele et Priest prouvent que c'est l'oxygène qui est indispensable, et en 1790 Spallanzani montrent que l'eau l'est également. Enfin, c'est Dubois qui découvre en 1887 que la bioluminescence met en jeu trois composés : un composé organique oxydable qu'il nomme luciférine, une enzyme spécifique qu'il nomme luciférase et l'oxygène. Et si on sait aujourd'hui qu'il existe de nombreuses molécules organiques oxydables capables d'émettre de la lumière et qu'à chaque molécule correspond une enzyme spécifique, les termes de luciférine et luciférase sont toujours utilisés pour les désignés
Les 5 types de luciférine connus à ce jour
Il existe donc différentes réactions de bioluminescence, qui sont toutes régies par un gène, la bioluminescence des organismes étant programmée dans leurs génotypes. De même, elles impliquent toutes une rencontre entre une luciférine (protéine substrat) et une luciférase (enzyme) qui donne un complexe d'oxyluciférine. Selon les cas, la réaction peut également nécessiter de l'ATP (chez les lucioles ou les dinoflagellés) ou de l'NADPH (chez les bactérie) par exemple, des composés qui apportent au départ de l'énergie nécessaire à la réaction.
Schéma de la réaction de bioluminescence
Ce complexe luciférine-luciférase catalyse la réaction d'oxydation de la luciférine par le dioxygène (O2) qui fait passer la luciférine d'un état stable à un état électroniquement excité et instable. Afin de retrouver un état stable, la luciférine émet un photon et donc une radiation lumineuse, généralement dans le spectre du bleu ou du vert. Finalement le complexe luciférine-luciférase se sépare en générant une molécule de CO2, et les deux protéines sont disponibles pour un nouveau cycle de réaction. Dans certains cas, l'énergie est transférée à des protéines fluorescentes, la bioluminescence obtenue peut donc être de différentes couleurs.
Il faut également savoir que parfois il peut y avoir un phénomène de bioluminescence sans réaction chimique. L'émission lumineuse est alors provoquée soit par abaissement du pH ou par un afflux d'ions calcium, comme chez les méduses par exemple.
Quelques définitions
SUBSTRAT : Substance qui agit avec un réactif pour former les produits
ENZYME : protéine ayant une activité catalytique, c'est-à-dire qu'elle accélère une réaction chimique sans intervenir explicitement dans son bilan.
REACTION D'OXYDOREDUCTION réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d'électrons. L'atome qui capte les électrons est appelé oxydant, celui qui les cède réducteur.
Les trois types de bioluminescence
Si elles se basent toutes sur la réaction chimique que nous venons d'expliquer, il existe trois types de bioluminescence :
La bioluminescence intra cellulaire ou intra glandulaire :
Pour ce type de bioluminescence, la réaction chimique a lieu dans les cellules glandulaires, et plus précisément dans des cellules spécialisées, les photocytes. Ces cellules spécialisées dans la production de lumière possèdent une structure particulière qui permet de contrôler et d'amplifier la luminescence : les photosomes. Elles peuvent êtres réparties dans tout l'organisme ou bien regroupées dans des organes lumineux appelés photophores. La lumière produite est émise vers l'extérieur à travers la peau ou intensifiée par des lentilles et des matériaux réfléchissants. La matière luminescente, en revanche, reste dans les glandes qui l’ont produites.
La bioluminescence intra cellulaire est très minoritaire, mais elle est présente chez certaines espèces de calamar comme le Sepioteuthis lessoniana (à gauche) ou le Pleurobrachia pileus (à droite) :
La bioluminescence extra cellulaire ou extra glandulaire :
Pour ce type de bioluminescence, des cellules qui se trouvent dans les cellules glandulaires produisent les composés nécessaires à la bioluminescence. Avant l'émission lumineuse, ces composés, jusque-là séparés selon leur nature dans des compartiments différents, s’échappent dans le milieu extérieur, c'est-à-dire l’eau de mer, et forment un mucus. Par exemple, lorsque le LamellibranchePholas dactylus est perturbé, les produits de sécrétion accumulés dans ses cellules glandulaires sont mélangés, en présence d’eau et forment alors le mucus lumineux. Ce type de bioluminescence est commun à quelques espèces de crustacés, aux céphalopodes abyssaux ainsi qu'aux lucioles.
La bioluminescence en symbiose avec les bactéries :
La symbiose est une association à bénéfice mutuel, intime et durable entre deux organismes hétérospécifiques (espèces différentes), parfois plusieurs. Ce phénomène bioluminescent est connu uniquement chez les animaux marins, mais c’est le type de bioluminescence le plus fréquent du règne animal. À différents endroits du corps, les animaux disposent de petites vésicules, communément appelées photophores, qui renferment des bactéries bioluminescentes. Ces bactéries utilisent le même principe de réaction chimique entre la luciférine et la luciférase, mais elles ne produisent de la lumière visible que lorsqu’elles sont présentes en forte densité. Prenons l’exemple de la bactérie marine Vibrio fischeri (ci-dessous) : Cette bactérie peut se retrouver libre mais également en symbiose dans des organes particuliers de certains poissons (calmars, céphalopodes). C'est dans cette situation qu'elle est bioluminescente car en forte densité (de l'ordre de 10^10 cellules/mL).
ATTENTION : Il ne faut pas confondre la bioluminescence, que nous venons d'étudier, avec la fluorescence (une lumière visible est créée lorsque les rayons ultra-violets entrent dans un objet, mais elle est immédiatement transmise) et la phosphorescence (un état continu de fluorescence même après que la source d'énergie UV est retirée).
Et chez les algues ?
Chez les dinoflagellés, et plus précisément chez celles que nous avons étudié, chez les pyrosystis fusiformis , le phénomène de bioluminescence se déroule de façon intra cellulaire. La réaction chimique expliquée plus haut reste vraie, mais elle implique également de l'ATP, (Adénosine Triphosphate) une molécule qui va fournir l'énergie nécessaire à la réalisation de la réaction.
Voici la luciférine de dinoflagellé qui est impliqué dans la reaction enzymatique à l'origine de la bioluminescence chez les pyrosystis fusiformis :
Afin de clarifier l'équation de la bioluminescence, nous ne retiendrons que la partie encerclée car c'est la seule où des changements ont lieu :
Voici maintenant l'équation de la bioluminescence simplifiée :
Luciférine + luciférase + ATP + O2 ------------> Oxyluciférine + H2O + Lumière
Chez les pyrosystis fusiformis lorsque l'Oxyluciférine tente de revenir à son état fondamental, le photon n'est pas directement libéré. Il y a d'abord un transfert d'énergie du complexe d'Oxyluciférine à une protéine (le chromophore de la GFP) qui va devenir fluorescente à cause de la surcharge d'énergie. La protéine émet alors un photon et retrouve son état fondamental (non fluorescent).
