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Biolumineszeszenz bei Tiefseeorganismen Biolumineszenz bei Glühwürmchen

Lumineszenz - Chemilumineszenz - Biolumineszenz

Einordnung verschiedener Arten von Lumineszenz

allgemein: Abgabe der Energie eines angeregten Zustandes als Licht beim Übergang in den Grundzustand. Alle Prozesse haben die "kalte" Aussendung von Licht gemeinsam, d.h. sie leuchten nicht durch Erhitzen bis zum Glühen. (lat. lumen = Licht). Die Weltweiten Aktivitäten auf dem Gebiet der Biolumineszenz und Chemilumineszenz werden von der "International Society of Bioluminescence and Chemiluminescence" koordiniert.

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Biolumineszenz von wirbellosen Tiefseeorganismen

Viele Organismen der Tiefsee erzeugen Licht durch biochemische Reaktionen. Die Reaktionsmechanismen und Licht emmittierenden Moleküle sind in vielen Fällen noch nicht bekannt. Einige Tiefseefische leben in Symbiose mit Bakterien die die Lichterzeugung übernehmen.

Die Bilder stammen von der Bioluminescence Web Page (von Steven Haddock). Informationen über die abgebildeten Organismen finden Sie unter dem Abschnitt "Photos of  Luminous Organisms." Sie zeigen typische Vertreter von Meeresorganismen die Biolumoineszenz zeigen können, aber nicht die Biolumineszenz dieser Lebewesen selbst. Genauere Informationen über die Biolumineszenz von Quallen und den Zusammenhang mit dem "Grün Fluoreszierenden Protein" kann man auf der Homepage von Claudia Mills von den Friday Harbor Laboraties (University Washington) erhalten.

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Biolumineszenz einer tropischen Glühwürmchenart

Die Bilder wurden während einer Expedition ins Innere Brasiliens von meinem Freund Cassius Vinicius Stevani (Universität Sao Paolo) aufgenommen

Unter Insekten ist die Biolumineszenz nicht sehr weit verbreitet. Hier in Europa ist es das Glühwürmchen (Lampyris noctiluca) welches in warmen Frühsommerächten leuchtet. In Nord- und Mittelamerika leuchtet die Feuerfliege (Photinus pyralis) und in Südamerika, der Karibik und anderen Ländern in den Tropen verschiedene Arten der Gattung Phengodidae. Die Biolumineszenz von Käfern ist relativ gut untersucht. Alle Käfer erzeugen Licht auf die selbe Art und Weise. Die Startsubstanz ist das Luciferin I, welches enzymatisch oxydiert wird. Luciferin hat auch einer ganzen Klasse von Verbindungen den Namen gegeben, den Luciferinen. Analog verhält es sich mit der Luciferase die auch namensgebend für die ganze Klasse der Luciferasen war. Also Vorsicht! Nicht jedes Luciferin enthält auch das Luciferin und nicht jede Luciferase enthält auch die Luciferase! Im Allgemeinen wird für die Lichterzeugung folgender Reaktionsmechanismus angegeben, bei dem eine Carbonsäure (das Luciferin) mit einem Enzym (der Luciferase) reagiert.

Die Firefly-Lumineszenz hat in den letzten Jahren eine außerordentlich große Bedeutung erlangt. Zur Zeit zeichnen sich 4 Einsatzgebiete ab die hier getrennt aufgeführt werden, sich aber teilweise überschneiden:

1. Diagnostik
   Um mit Hilfe der Luciferin/Luciferase Reaktion Licht zu erzeugen, wird ATP benötigt. Die emittierte Lichtmenge ist dabei proportional zur in der Untersuchungslösung vorhandenen Stoffmenge an ATP. Auf Grund der hohen Quantenausbeute der Reaktion und der technisch ausgereiften Methoden der Lichtmessung hat man hier also eine ausserordentlich effektive und sensitive Methode zur quantitativen Bestimmung von ATP. Dies wird zum Beispiel bei Hygienekontrollen genutzt. Der Prüfer entnimmt eine Probe, die enthaltenen Bakterien werden in einer Pufferlösung zerstört und das freigesetzte ATP durch Luciferin/Luciferase Lumineszenz erfasst. Da man in etwa weiss wieviel ATP ein Bakterium enthält, bekommt man so über die Lichtintensität eine Aussage zum Bakteriengehalt der Probe.
2. Gentechnik
   Es gibt mittlerweile verschiedene Methoden um Fremdgene in Zellen einzuschleusen. Allen gemeinsam ist jedoch, dass man nie weiss ob die Übertragung funktioniert hat oder nicht, da man das übertragene Gen oft schlecht oder erst in einem viel späteren Entwicklungsstadium nachweisen kann. Deshalb bedient man sich sogenannter Reportergene. Das sind Gene die mit dem eigentlichen Ziel der Genübertragung nichts zu tun haben, sich aber leicht nachweisen lassen. Diese werden mit dem zu übertragenden Gen gekoppelt und zusammen eingeschleust. Im Falle der Luciferase bedeutet dies, dass nach einer erfolgreichen Genübertragung die entsprechende Zelle oder der Organismus nach Zugabe von Luciferin Licht emittiert.
3. Medizinische Grundlagenforschung
   Hier benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien die das Luciferase-Gen tragen. Injiziert man zum Beispiel einer Ratte Salmonellen-Erreger die das Luciferase Gen tragen, so breiten sich die Erreger im Rattenkörper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von aussen verfolgen, ohne die Ratte zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emitierte Licht verfolgen kann.
4. Chemische Grundlagenforschung
   Theoretisch wird der Mechanismus der Lichterzeugung bei chemischen Reaktionen sehr gut verstanden. Praktisch gibt es aber zur Zeit große Schwierigkeiten lichterzeugende Systeme zu Konzipieren und Konstruieren. Man befindet sich hier noch im Versuch/Irrtum Stadium. Dies betrifft auch das Luciferin/Luciferase System, wo zum Beispiel der Mechanismus der Enstehung von verschiedenen Farben noch umstritten ist.

   Luciferase kann aus den Körpern der amerikanischen Feuerfliege isoliert werden. Getrocknete "Fireflies" sind eine Handelsware und werden für etwa 31 € pro 1 g angeboten. Es gibt auch nur die Laternen oder getrocknetes Laternenpulver, je nach dem was man will. Die gelbe Farbe kommt wahrscheinlich vom Luciferin - Anion.

   

   

   Das Luciferin wird im allgemeinen totalsynthetisch hergestellt. Ausgangsstoff ist das 4-Methoxy-2-ammino-benzothiazol VIII. Mit Natriumnitrit und unter sauren Reaktionsbedingungen erhält man daraus das Diazoniumsalz IX. Dieses wird nach Sandmeyer mit einem KCN/CuCN Gemisch umgesetzt. Das Problem besteht darin, dass unter den sauren Reaktionsbedingungen, die das Diazoniumsalz braucht, Blausäure freigesetzt wird. Dies wird, zumindest teilweise, durch eine hohe Konzentration an Natriumhydrogencarbonat in der KCN Lösung verhindert. Trotzdem benötigt man einen riesigen Überschuß an Cyanid um einigermaßen vernünftige Ausbeuten an Nitril X zu erhalten. Im nächsten Schritt wird der Methylether gespalten. Dies geschieht am Besten indem man das Nitril X zusammen mit Pyridinhydrochlorid bei 220 °C etwa 2 h schmilzt. Je nach Qualität des Ausgangstoffes X und präparativem Geschick wird ein mehr oder weniger sauberes Produkt XI erhalten, das nur noch mit D-Cystein zum fertigen Luciferin XII umgesetzt werden muss. Diese Synthesesequenz ist nicht allzu kompliziert und kann von einem Studenten im Hauptstudium ohne weiteres bewältigt werden, wenn man sich traut mit großen Mengen Cyanid zu arbeiten.

   

Literatur:

1. E.H. White, E. Rapaport, H. A. Seliger, Th. A. Hopkins; The Chemi- and Bioluminescence of Firefly Luciferin: An Efficent Chemical Production of Electronically Excited States; Bioorganic Chemistry 1(1971) 92-122

2. Y. Toya, M. Takagi, H. Nakata, N. Suzuki, M. Isobe, T. Goto; A Convienent Synthetic Method of 2-Cyano-6-methoxybenzothiazole,-A Key Intermediate for the Synthesis of Firefly Luciferin; Bull. Chem. Soc. Jpn., 65 (1992) 392-395

3. V. R. Viviani, J. H. Bechera; Bioluminescence and Biological Aspects of Brazilian Railroad- Worms (Coleoptera: Phengodidae); Ann. Entomol. Soc. Am. 90 (1997)389-398

4. D. Weiss, R. Beckert, K. Lamm, W. J. Baader, E. J. H. Bechera, C. V. Stevani; Playing with Luciferin - New Results on the Chemistry of a Well-Known Molecule; "Bioluminescence & Chemiluminescence" World Scientific, 2000

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