¿Qué es la luciferasa?

Desde hace un tiempo, ciertas investigaciones científicas han desarrollado plantas, gusanos e incluso ratones que brillan en la oscuridad, pero ¿cómo se hace? ¿Y para qué sirve?

 

A pesar de su nombre de reminiscencias bíblicas, que invita a pensar en algún tipo de entidad maligna, la luciferasa es un compuesto biológico presente en los seres vivos bioluminiscentes capaces de emitir luz, y la principal responsable de este proceso. Como en el caso del ángel caído —cuya nomenclatura en realidad data del siglo VIII—, su nombre procede del latín lux, “luz”, y ferre, “llevar”, es decir, “portador(a) de la luz”, con la terminación ‘-asa’, sufijo que indica que se trata de una enzima.

La enzima portadora de la luz

Las enzimas son un tipo de biomoléculas, específicamente proteínas, cuya función en la célula es facilitar o realizar determinadas reacciones químicas. Así pues, son una suerte de catalizadores biológicos, sintetizados por las células de los seres vivos, que se encargan de llevar a cabo el metabolismo. La práctica totalidad de reacciones químicas que suceden en el interior de una célula está mediada por enzimas; las cuales se encargan del proceso de la respiración o de la digestión, intervienen en la síntesis del ADN, y en el resto de procesos metabólicos.

La bioluminiscencia, como proceso metabólico, ha evolucionado en diversos grupos de seres vivos de manera independiente: bacterias, hongos, algas, y multitud de animales distintos. El proceso de bioluminiscencia tiene un fundamento básico: un sustrato, llamado de forma genérica “luciferina”, es oxidado por la acción de una enzima, la luciferasa, y como consecuencia de la reacción química resultante se emite luz.

Luciérnaga, un animal con bioluminiscencia
Luciérnaga, un animal con bioluminiscencia

Sin embargo, como la bioluminiscencia ha surgido de forma independiente en muchos grupos de seres vivos, no todos emplean las mismas moléculas para llevar a cabo el proceso. La luciferina de una luciérnaga es completamente distinta a la de una medusa, a la de un hongo fluorescente o a la de un pez abisal. Y si el sustrato es distinto, también la enzima ha de ser diferente. Las luciferasas son, por tanto, proteínas diferentes en cada grupo de seres vivos.

La luciferasa en el laboratorio

Las luciferasas son enzimas con una gran utilidad en laboratorio. Al fin y al cabo, si una luciferasa tiene oxígeno, energía y el sustrato de luciferina adecuado, el resultado será la emisión de luz, más o menos tenue, que puede ser observada a simple vista e incluso medida con un aparato. Basta con transferir el gen que codifica para la síntesis de una luciferasa a un ser vivo, para dotarlo de bioluminiscencia. Así, hemos obtenido plantas, gusanos y hasta ratones bioluminiscentes. Pero este proceso no se hace por capricho; hay un propósito importante para darle a un ratón la capacidad de brillar en la oscuridad.

Ratones brillando en la oscuridad gracias a la luciferasa de una medusa, para la investigación en cáncer (Universidad de Toronto)
Ratones brillando en la oscuridad gracias a la luciferasa de una medusa, para la investigación en cáncer (Universidad de Toronto)

Existen múltiples aplicaciones para la luciferasa. Por ejemplo, cuando en biomedicina se produce un animal transgénico que contenga un gen humano que exprese determinada proteína o esté ligado a una patología, podemos introducir, adyacentemente, el gen de la luciferasa. De ese modo, las células que expresan el gen introducido también expresarán la luciferasa, brillarán en la oscuridad y será posible identificarlas a simple vista.

Esta fluorescencia también puede realizarse en vivo y comprobar en tiempo real la evolución de ciertos tipos de cáncer o la eficacia de determinados fármacos, observar cómo se mueven las células del sistema inmunitario y dónde se centran, o comprobar la eficacia de la transferencia de genes in vivo.

Elegir la luciferasa adecuada

Dependiendo del tipo de estudio que se quiera realizar, habrá unas luciferasas u otras que resulten más interesantes. Cada una tiene su propio espectro de emisión de luz, y los tejidos vivos suelen absorber parte de la luz emitida. Por ejemplo, la hemoglobina absorbe con mucha eficacia la luz azul o verde, pero muy mal la luz roja; un problema que no encontraríamos con la dermis o la epidermis, por lo que seleccionar la enzima adecuada puede ser esencial para la correcta realización del estudio. La luciferasa más empleada hasta la fecha es la que se extrae de la luciérnaga Photinus pyralis.

Además, sobre todo si se va a emplear en organismos vivos, el sustrato empleado para la reacción de la luciferasa debe ser inocuo, y distribuirse bien por los tejidos. En investigación, este sustrato se suele inyectar, y la reacción luminiscente puede tardar varios minutos en manifestarse.

Entre las limitaciones de estas aplicaciones encontramos el requisito del oxígeno; la mayor parte de las luciferasas funcionan mediante la oxidación del sustrato luciferina, por lo tanto requieren oxígeno para que la reacción tenga lugar. Excepción a esta generalidad son algunas medusas, que presentan una fase de activación previa de la luciferina, en presencia de oxígeno —formándose peroxiluciferina—, y la reacción de la luciferasa puede suceder en otro momento, incluso en condiciones anóxicas.

Referencias:

Contag, C. H. et al. 2002. Advances in In Vivo Bioluminescence Imaging of Gene Expression. Annual Review of Biomedical Engineering, 4(1), 235-260. DOI: 10.1146/annurev.bioeng.4.111901.093336

Gould, S. J. et al. 1988. Firefly luciferase as a tool in molecular and cell biology. Analytical Biochemistry, 175(1), 5-13. DOI: 10.1016/0003-2697(88)90353-3

Hastings, J. W. 1996. Chemistries and colors of bioluminescent reactions: a review. Gene, 173(1), 5-11. DOI: 10.1016/0378-1119(95)00676-1

Vary (Álvaro Bayón)

Vary (Álvaro Bayón)

Soy doctor en biología, especializado en especies invasoras. Intento divulgar sobre ciencia y naturaleza mientras lucho férreamente contra las pseudociencias y el pensamiento mágico. Cuando me queda tiempo, cazo pokémon y hago artesanía. Además, soy (un poco) adicto al twitter.

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