Un organismo marino unicelular genera luz como respuesta a la estimulación mecánica
Cada pocos años, una floración de organismos microscópicos llamados dinoflagelados transforma las costas de todo el mundo al dotar a las olas rompientes de un misterioso resplandor azul. La espectacular floración de este año en el sur de California fue un ejemplo particularmente llamativo.
En un nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters, los investigadores han identificado la física subyacente que resulta en la producción de luz en una especie de estos organismos.
El equipo internacional, liderado por la Universidad de Cambridge, desarrolló herramientas experimentales únicas basadas en micromanipulación e imágenes de alta velocidad para visualizar la producción de luz a nivel de una sola célula. Mostraron cómo un organismo unicelular de la especie Pyrocystis lunula produce un destello de luz cuando su pared celular se deforma por fuerzas mecánicas. A través de la experimentación sistemática, descubrieron que el brillo del flash depende tanto de la profundidad de la deformación como de la velocidad a la que se impone.
Imagen: El dinoflagelado marino unicelular Pyrocystis lunula, sostenido sobre una micropipeta de vidrio. Los cloroplastos (amarillo-marrón) se encuentran en el núcleo citoplasmático por la noche y la pared celular en forma de media luna encierra la célula.
Conocido como una respuesta "viscoelástica", este comportamiento se encuentra en muchos materiales complejos, como los fluidos con polímeros suspendidos. En el caso de organismos como Pyrocystis lunula, conocidos como dinoflagelados, este mecanismo probablemente esté relacionado con los canales iónicos, que son proteínas especializadas distribuidas en la membrana celular. Cuando la membrana está estresada, estos canales se abren, permitiendo que el calcio se mueva entre los compartimentos de la célula, desencadenando una cascada bioquímica que produce luz.
"A pesar de décadas de investigación científica, principalmente en el campo de la bioquímica, no ha quedado claro el mecanismo físico por el cual el flujo de fluido desencadena la producción de luz", dijo el profesor Raymond E. Goldstein, Profesor Schlumberger de Sistemas Físicos Complejos en el Departamento de Matemática Aplicada y Física Teórica, quien dirigió la investigación.
"Nuestros hallazgos revelan el mecanismo físico por el cual el flujo de fluido desencadena la producción de luz y muestran cuán elegante puede ser la toma de decisiones a nivel de una sola célula", dijo el Dr. Maziyar Jalaal, primer autor del artículo.
Vídeo: Un dinoflagelado marino unicelular se ilumina y luego se atenúa nuevamente cuando se aprieta entre dos micropipetas de vidrio, gracias a una reacción química generadora de luz provocada por cambios inducidos por la deformación en los niveles de calcio dentro de la célula.
La bioluminiscencia ha sido de interés para la humanidad durante miles de años, ya que es visible como el resplandor de las olas rompientes nocturnas en el océano o la chispa de las luciérnagas en el bosque. Muchos autores y filósofos han escrito sobre bioluminiscencia, desde Aristóteles hasta Shakespeare, quien en Hamlet escribió sobre el "fuego ineficaz" del gusano radiante. Una referencia a la producción de luz sin calor:
"…To prick and sting her. Fare thee well at once / The glowworm shows the matin to be near / And 'gins to pale his uneffectual fire. / Adieu, adieu, adieu. Remember me.”
Sin embargo, la bioluminiscencia en el océano no es "ineficaz". Por el contrario, se usa para defensa, ofensa y apareamiento. En el caso de los dinoflagelados, utilizan la producción de luz para ahuyentar a los depredadores.
Imagen: Producción de luz por P. Lunula bajo estimulación fluida y mecánica. (a) Estimulación por flujo de fluido; el mapa de color en la mitad superior indica la velocidad del flujo, la mitad inferior es una imagen de rayos de trazadores. (b) Seguimiento de partículas de líneas de flujo cerca de la superficie celular. (c) - (f) Deformación celular debido al flujo y la consiguiente producción de luz. (g), (h) Segundo protocolo, en el que una segunda pipeta deforma una célula bajo contacto directo (δf=10, ˙δ=76 μm/s) (i) - (l) Producción de luz provocada por deformación mecánica. Los tiempos indicados son con respecto al inicio de la emisión de luz.
Los resultados del estudio actual muestran que cuando la deformación de la pared celular es pequeña, la intensidad de la luz es pequeña, no importa cuán rápido se realice la indentación, y también es pequeña cuando la indentación es grande pero se aplica lentamente. Solo cuando la amplitud y la velocidad son grandes se maximiza la intensidad de la luz. El grupo desarrolló un modelo matemático que fue capaz de explicar estas observaciones cuantitativamente, y sugieren que este comportamiento puede actuar como un filtro para evitar la activación de destellos de luz espurios.
Mientras tanto, los investigadores planean analizar más cuantitativamente la distribución de fuerzas sobre las células enteras en el flujo de fluido, un paso hacia la comprensión de la predicción de la luz en un contexto marino.
Artículo científico: Stress-Induced Dinoflagellate Bioluminescence at the Single Cell Level
