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Química

Iluminación natural

El proceso químico de la bioluminiscencia de los hongos es reciclable y flexible

Cassius Stevani/IQ-USP La luz verde que emite la especie Neonothopanus gardneri es visible en noches oscurasCassius Stevani/IQ-USP

Una calle iluminada por árboles brillantes en lugar de columnas de alumbrado con sus lámparas. Esta imagen parece un sueño, pero no llega a ser imposible para el químico Cassius Stevani, docente del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP). “Pero hay que tener cuidado, pues no queremos que los bosques naturales emitan luz por las noches”, advierte. Aún fuera del horizonte de la realidad, este escenario de ciencia ficción echa raíces en la investigación de Stevani con hongos bioluminiscentes, fundamentalmente los de la especie Neonothopanus gardneri, en Mata dos Cocais, en el estado brasileño de Piauí. El investigador y diversos colaboradores, sobre todo rusos y brasileños, han develado una parte importante de las reacciones químicas que iluminan a las setas de verde, tal como puede leerse en un artículo publicado el día 26 de abril en el sitio web de la revista Science Advances.

Un punto importante de este estudio consistió en descubrir que la hispidina, una molécula con propiedades farmacológicas y presente en buena parte de las plantas, es precursora de la luciferina, un sustrato esencial para la producción de la luz en los hongos. La hispidina también está presente en las setas no luminiscentes, en las cuales es responsable del color anaranjado y de la protección contra los daños que provoca la luz solar.

De acuerdo con la secuencia de reacciones químicas que ha revelado el grupo de investigadores, la luciferina reacciona con el oxígeno debido a la acción de la enzima luciferasa y da origen a la oxiluciferina excitada, que al decaer al estado fundamental emite un fotón y, por ende, luz. Posteriormente, la oxiluciferina sufre la acción de otra enzima y da origen al ácido cafeico. Éste es otro descubrimiento importante, pues ya se sabía que el mismo es un precursor de la hispidina. Así es como Stevani explica cómo se cierra el ciclo. “Existe un reciclaje de las moléculas que toman parte en la bioluminiscencia, lo cual explica la pequeña cantidad de hispidina existente en los hongos: se forma constantemente, luego reacciona y prosigue el ciclo de la bioluminiscencia”. Debido a que dicho proceso consume oxígeno, puede ser una manera mediante la cual el organismo combate los daños que ocasiona el estrés oxidativo.

Los árboles y otras plantas también producen ácido cafeico, y de allí proviene la broma de sugerir su manipulación genética, de modo tal que produzcan las enzimas necesarias como para completar la reacción y brillar. “También sería posible producir orquídeas luminiscentes destinadas al comercio de plantas ornamentales”, imagina el químico. El bioquímico estadounidense Hans Waldenmaier, quien el año pasado terminó su doctorado bajo la dirección de Stevani, tiene entre sus planes precisamente el montaje una empresa destinada a la producción de plantas bioluminiscentes en su país natal. Y no con intenciones decorativas únicamente. “Quizá algún día sea posible valerse de este sistema como reportero, para seguir los procesos biológicos de las plantas y aplicarlos a problemas de salud humana”, dice el profesor del IQ-USP. Una proteína fluorescente utilizada como marcador genético luminoso o reportero les redituó a Osamu Shimomura, Roger Tsien y Martin Chalfie el premio Nobel de Química en 2008, justamente debido a su importancia en la visualización de ciertos procesos bioquímicos. En dicho caso, se trataba de una proteína fluorescente producida por medusas y ampliamente utilizada en laboratorios de todo el mundo.

Cassius Stevani/IQ-USP Imágenes alteradas ilustran cómo sería si el hongo produjese sustratos alternativosCassius Stevani/IQ-USP

Química productiva
Los resultados que aparecen en el artículo de Science Advances nacieron como fruto de la colaboración entre Stevani y el químico ruso Ilia Yampolsky, del Instituto de Química Bioorgánica de Moscú, una sociedad que surgió de manera insólita. Cuando se enteró a través del relato de alumnos que regresaban de un congreso internacional que Yampolsky apuntaba a caracterizar las moléculas responsables de la bioluminiscencia de ciertos hongos, el brasileño entró en contacto para proponerle aunar esfuerzos. Pero llegó demasiado tarde: los resultados ya habían sido remitidos para su publicación, con base en cultivos de un hongo muy similar al brasileño: era el Neonothopanus nambi, originario de Vietnam. En la disputada carrera académica, la derrota a manos de un científico con un historial más reciente de investigación en este tema podría ser motivo de despecho y enemistad. Pero sucedió lo contrario. Para arribar a los resultados publicados en Science Advances, cada uno aportó desde su especialidad: el ruso en la síntesis de compuestos orgánicos y el brasileño en los mecanismos químicos. En São Paulo, también participaron los químicos Erick Bastos y Paolo di Mascio, del IQ, y Anderson Oliveira, del Instituto Oceanográfico, además de los farmacéuticos Felipe Dörr y Ernani Pinto, de la Facultad de Ciencias Farmacéuticas, todos de la USP.

Además de dilucidar cuáles son las moléculas presentes en la reacción de bioluminiscencia, los científicos observaron que la luciferasa es versátil. Yampolski sintetizó variaciones de la luciferina que, al reaccionar con la luciferasa, también generan luz. Como esas moléculas no son producidas por los hongos, la reacción fue producida dentro de un aparato, el luminómetro, que indicó la presencia de luz. La diferencia radica en que la misma tendría una longitud de onda distinta a la del verde observado en la naturaleza y, en caso de que la reacción ocurriese en la naturaleza, sería posible ver setas brillando en otros colores, como las imágenes alteradas que ilustran este reportaje: una “licencia poética”, al decir del químico brasileño.

Entre la química pura, la ficción y las aplicaciones tecnológicas, Stevani también pasea por la biología, al investigar el significado ecológico de la luminiscencia de las setas. Los resultados obtenidos por Waldenmaier en su investigación doctoral aún están preparándose para su publicación, pero ya se puede decir que filmaciones y experimentos de campo sugieren que el brillo atrae a los insectos y crea un verdadero ecosistema en miniatura. Las setas parecen constituir un lugar de encuentro de las luciérnagas que las visitan en parejas. Cucarachitas doradas se comen los hongos y son cazadas por arañas. Todos, tal como Stevani sugiere, se ven atraídos por la luz que se propaga mucho más que el olor en el ambiente de la selva. Mientras todo esto sucede, los animales se recubren de esporas y ayudan a propagarlas. Al fin y al cabo, al crecer cerca del piso, en donde hay más humedad, falta viento para soplar las partículas reproductivas. Al colaborar, todos parecen salir ganando.

Publicado en mayo de 2017

Proyecto
Bioluminiscencia en hongos: Mapeo de especies, estudio de mecanismos & ensayos toxicológicos (nº 13/16885-1); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Cassius Vinicius Stevani (USP); Inversión R$ 183.183,40 + US$ 58.141,94

Artículo científico
KASKOVA, Z. M. et al. Mechanism and color modulation of fungal bioluminescence. Science Advances. 26 abr. 2017.