I fotofori di Hygophum benoiti (Cocco) 1838

È noto che fra gli esseri viventi si instaurano delle interazioni positive in cui entrambi gli organismi coinvolti traggono vantaggio; a volte la loro associazione è talmente stretta da determinare un’interdipendenza metabolica che non permette più una loro vita autonoma e separata. È il caso della simbiosi mutualistica. Un esempio è la simbiosi che si instaura fra alcuni batteri bioluminescenti e animali marini. Batteri luminosi vivono in simbiosi con il pesce Photoblepharon palpebratus della barriera corallina australiana e si sviluppano all’interno di una piega o palpebra sotto gli occhi: la simbiosi fa sì che il pesce fornisca un substrato protettivo e ricco di nutrienti ai batteri e i microrganismi offrano la luce necessaria per diversi scopi.

Un altro esempio è l’interazione fra Euprymna scolopes, un cefalopode che di giorno vive sotto la sabbia e di notte va in cerca di cibo, e Vibrio fischeri. Euprymna riesce a mimetizzarsi nell’ambiente notturno grazie al fotoforo che emettendo luce ne fa scomparire l’ombra. La luce è emessa da popolazioni di Vibrio viventi nel fotoforo dove trovano un ambiente ricco di nutrimento. Si è visto che i batteri simbionti sono luminescenti sotto certe condizioni, trattandosi di una sorta di sistema inducibile e reprimibile. Infatti quando vivono liberi nel plancton non producono luce, bensì diventano luminescenti in simbiosi; inoltre emettono luce solo in presenza di ossigeno e/o quando la loro densità è elevata.

“La bioluminescenza [...] è provocata da una reazione chimica catalizzata dalla [...] luciferasi. L’emissione di luce avviene tramite ossidazione del flavin mononucleotide (FMNH2) e di un‘aldeide alifatica R (R=radicale), chiamata luciferina (dal greco portatrice di luce”), ad opera dell’ossigeno molecolare. […]. È evidente come il FMNH si riduca a causa del NADH (Nicotinammide Adenina Dinucleotide), donatore primario di elettroni, spostando i due atomi di idrogeno i quali vanno a formare una molecola d’acqua con uno degli atomi della molecola di ossigeno. L’altro atomo di ossigeno, invece, è inglobato nell’aldeide luciferina, che, ossidandosi, forma l’acido carbossilico. Il prodotto della reazione è dunque la forma ridotta del flavin mononucleotide nel suo stato eccitato (FMN*). La successiva transizione allo stato fondamentale dell’FMN, provoca l’emissione di energia sotto forma di un fotone di frequenza ν e, quindi, origina la luminescenza.” (“Influenza della radiofrequenza sulla crescita sulla bioluminescenza di vibrioni marini”, Nassini et al., 2012). (Fig.7) Nealson et al. (1979) in “Bacterial Bioluminescence: Its Control and Ecological Significance” approfondiscono l'analisi biochimica di tale processo, affermando che “il sistema biochimico è unico nei batteri […]; alcune luciferasi sono più veloci di altre” (Fig 8). Dal tempo necessario alla reazione si deduce che esistono degli intermedi di reazione. Da uno studio strutturale è stato dedotto che: “Sebbene ci siano significative differenze tutte le luciferasi batteriche possiedono una struttura eterodimerica e producono luce nel range di lunghezze d’onda 76,000+-4000 nm. […] Le proprietà catalitiche risiedono nella subunità alfa.” Inoltre le luciferasi delle specie Photobacterium fischeri e Beneckea harvey si sono evolute dallo stesso monomero.

In studi di complementazione furono creati ibridi combinando subunità di luciferasi di specie batteriche diverse, arrivando alla conclusione che “ tutte le combinazioni eccetto la subunità alfa di P. fischeri con la beta di P. phosphoreum danno ibridi attivi. Negli ibridi le proprietà relative alla funzione catalitica (tempo di turnover) sono determinate dal contributo delle subunità alfa. […] Non è stato rilevato alcun ibrido attivo tra la combinazione di Photobacterium e Beneckea.” (Nealson et al., 1979). Si è visto inoltre che in cellule molto luminose coltivate in terreni ricchi, la luciferasi rappresenta il 5% della quantità totale di proteine e che l'energia spesa per la luminescenza è il 10% di quella totale. [...]