A 600 metros de profundidad, los investigadores que realizaban una expedición científica en 2017 cerca del archipiélago de Alcatrazes, frente a las costas de São Paulo, en Brasil, quedaron sorprendidos cuando un vehículo sumergible se topó con una criatura gelatinosa que, ante el contacto, emitió un destello de luz verde, un fenómeno inusual entre los animales bioluminiscentes. Pasó casi una década hasta que se logró describir un conjunto de fotoproteínas verdes naturales descubierto en el organismo marino en cuestión, Velamen parallelum. El hallazgo salió publicado en el mes de abril en la revista científica The FEBS Journal y abre una nueva senda de avances en las áreas de la biomedicina y la biotecnología.
“El descubrimiento del mecanismo químico fue casual”, cuenta el biólogo Douglas Soares, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de Araraquara, autor principal del artículo, quien por entonces realizaba una pasantía de investigación posdoctoral en el Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP). “Mi proyecto de investigación trataba sobre hongos, pero por pura curiosidad, abrí el freezer a 80 grados bajo cero del laboratorio y mira lo que pasó”. Entre los tubos almacenados, encontró una muestra del organismo recogido años antes y decidió analizarla.
Valiéndose de técnicas de biología molecular, clonación y expresión génica en sistemas bacterianos, Soares descubrió un conjunto de proteínas bioluminiscentes (fotoproteínas) sensibles al calcio, denominadas velaminas, capaces de emitir luz verde en forma natural. Se trata de una característica sin precedentes entre las proteínas de este tipo, que suelen emitir luz azul. Para estudiarlas, el biólogo extrajo ARN del organismo y lo convirtió en ADN complementario (ADNc), para luego insertarlo en bacterias a los efectos de producir estas proteínas en laboratorio.
Una vez purificadas, las proteínas fueron activadas con coelenteracina, una molécula que funciona como una especie de combustible para la bioluminiscencia, y se las sometió a pruebas para determinar su sensibilidad a los iones de calcio, confirmando que eran fotoproteínas reguladas por este elemento. “La reacción que provocamos libera energía en forma de luz, no de calor: para los estudios in vivo, es raro y muy ventajoso contar con un sistema que emite luz verde naturalmente”, destaca el químico Cassius Stevani, del IQ-USP, uno de los autores del artículo.
Los científicos también analizaron el espectro de la luz emitida y comprobaron la estabilidad de las proteínas a distintas temperaturas. De esta manera consiguieron identificar tres tipos principales, a los que denominaron alfa, beta y gamma, destacándose este último por su mayor resistencia al calor y por su emisión de luz en una longitud de onda más larga. Esto incrementa las probabilidades de que este tipo de molécula atraviese los tejidos biológicos sin ser absorbido por los pigmentos presentes en la hemoglobina, lo que puede permitir la visualización de procesos fisiológicos en tiempo real.
Lucy SmiechuraFlotando cerca del fondo marino, el cinturón de Venus es casi invisibleLucy Smiechura
Para el biólogo molecular y bioquímico Vadim Viviani, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y expresidente de la Sociedad Internacional de Bioluminiscencia y Quimioluminiscencia (ISBC), esta característica hace que las velaminas, una vez modificadas, sean potencialmente prometedoras para aplicaciones biomédicas. “La comprensión del funcionamiento de estas proteínas puede permitir ajustes estructurales para que emitan cada vez más luz en el espectro del rojo, lo que ampliaría considerablemente su utilidad en modelos animales y, en el futuro, en diagnósticos clínicos”, comentó Viviani, quien no participó en el estudio publicado.
Para llevar a cabo el estudio, se recolectaron tan solo dos ejemplares de Velamen parallelum, también conocido como cinturón de Venus. Se trata de un ctenóforo, un ser diferente de las medusas (cnidarios), y se destaca por emitir breves destellos de luz cuando recibe un estímulo por contacto físico. Habitante de aguas marinas profundas, con un cuerpo extremadamente gelatinoso, que se desintegra fácilmente al tacto, su captura supuso todo un reto técnico.
La oportunidad de capturarlo se presentó durante la expedición organizada por OceanX, una iniciativa privada dedicada a la exploración e investigación oceánica, que posee embarcaciones equipadas con tecnología de punta. Por invitación de la empresa, científicos brasileños cartografiaron la costa del país, entre ellos el químico Anderson Oliveira, por entonces investigador del Instituto Oceanográfico (IO) de la USP y uno de los autores del artículo publicado en The FEBS Journal. “El sumergible utilizado era algo así como una esfera de acrílico, donde pasamos unas 10 horas en el fondo del mar. Cuando el organismo golpeó en el acrílico y emitió una luz verde, utilizamos el aspirador del brazo robótico para succionarlo, lo almacenamos en una botella con agua de mar y lo congelamos”.
En la actualidad, Oliveira es docente de la Universidad Yeshiva, en Estados Unidos, y continúa colaborando con el equipo brasileño en nuevas etapas de la investigación. Una de ellas, dirigida por Soares en el campus de Araraquara de la Unesp, busca ampliar la longitud de onda de la emisión luminosa hacia el rojo y aumentar la estabilidad térmica de las proteínas, haciéndolas más eficientes para aplicaciones in vivo.
El grupo también investiga el uso de estas fotoproteínas como sondas moleculares para detectar calcio en ambientes con alta concentración iónica, como el interior de los hematíes, los glóbulos rojos de la sangre. En esas condiciones, los sensores fluorescentes tradicionales, que dependen de la luz externa para funcionar, suelen perder sensibilidad, ya que operan en el límite de su capacidad de detección y no logran registrar pequeñas variaciones en la concentración de calcio. Una de las estrategias en fase de desarrollo consiste en el uso combinado de fotoproteínas con diferentes longitudes de emisión luminosa (azul y verde, por ejemplo) para crear sistemas de identificación doble.
Anderson Oliveira / Universidade YeshivaDentro de este vehículo sumergible, los investigadores observaron un destello cuando el organismo chocó contra el acrílicoAnderson Oliveira / Universidade Yeshiva
Este tipo de enfoque permitiría monitorear en forma simultánea y en tiempo real regiones celulares con diferentes niveles de calcio, pudiendo ofrecer una visualización más precisa de procesos fisiológicos complejos, como el mecanismo por el cual las células se comunican y coordinan sus funciones, y la homeostasis iónica, que es el equilibrio de las concentraciones de iones esenciales para el funcionamiento celular. Con ello, podría avanzarse en el diagnóstico de enfermedades relacionadas con el metabolismo del calcio, por ejemplo, y en el estudio de trastornos cardíacos, neurológicos y musculares.
Como destaca Viviani, ésta ha sido la primera clonación en el país de una fotoproteína de un organismo marino, lo que abre nuevas perspectivas para la investigación en materia de bioluminiscencia aplicada a especies de la fauna marina local. Él también recuerda que, aunque Brasil ya es reconocido por la gran diversidad de organismos bioluminiscentes terrestres, como escarabajos y hongos, su biodiversidad marina aún ha sido escasamente explorada en este campo.
El biólogo marino portugués José Paitio, investigador posdoctoral en el IO-USP, también ha hecho aportes para la ampliación del conocimiento de la bioluminiscencia en los organismos marinos. En colaboración con investigadores de instituciones japonesas, el grupo describió por primera vez la estructura y la función del mecanismo biológico de los fotóforos de los peces del género Neoscopelus, conocidos comúnmente como linternillas, que habitan en las profundidades del océano Pacífico, según artículos publicados en las revistas científicas Journal of Fish Biology, en abril, y Zoomorphology, en junio.
Los fotóforos son órganos especializados en la emisión de luz, compuestos por células fotogénicas, reflectores internos, filtros de pigmento y escamas modificadas. Juntos, estos componentes no solamente permiten que los peces produzcan bioluminiscencia mediante un estímulo químico, sino que también modulan la dirección, la intensidad y el espectro de la luz emitida, factores cruciales para el camuflaje por contrailuminación, una estrategia que los vuelve prácticamente invisibles cuando se los observa desde abajo.
Chih-Wei ChenLos peces de la familia Myctophidae o mictófidos viven en aguas profundas y pueden emitir luminosidadChih-Wei Chen
“En estos peces hemos descubierto que las células fotogénicas son controladas por inervaciones. Y por más asombroso que pueda parecer, cada fotóforo está conectado a nervios específicos que el pez es capaz de controlar individualmente”, resalta Paitio. Esto le permite al animal ajustar la emisión luminosa según la profundidad, un sofisticado mecanismo de adaptación ecológica.
Para Stevani, del IQ-USP, quien no participó en el estudio, estos resultados son importantes porque aportan información inédita sobre los fotóforos y porque se basan en una muestra considerada robusta, algo difícil de obtener en este tipo de investigaciones: fueron 28 ejemplares para los dos artículos. También considera que el trabajo deja margen para investigaciones similares en otras especies de aguas profundas. “Hay otro pez interesante, Malacosteus niger, que posee dos fotóforos cerca de los ojos que emiten luces de diferentes colores. Queremos estudiarlo porque aún no se conoce nada sobre ese mecanismo”.
La muestra del trabajo de Paitio y sus colaboradores fue posible merced a una colaboración con el Ministerio de Pesca de Japón, además de la compra directa de ejemplares a pescadores de la costa de Shizuoka, una provincia situada en la región central de ese país. El material recolectado garantizó el volumen y la calidad suficientes para la realización de los análisis morfológicos y funcionales en el marco del estudio.
Los investigadores combinaron diversas técnicas de laboratorio, lo que comprendió la concreción de cortes criogénicos y marcaciones químicas que hicieron posible localizar los nervios conectados a los órganos emisores de luz, y el uso de microscopía electrónica para el análisis de la estructura detallada de las células pigmentarias y reflectoras.
Otra técnica utilizada fue la microespectrometría, adaptada en el laboratorio por el propio Paitio, que permitió medir a escala micrométrica el espectro de la luz transmitida y absorbida por cada componente de los fotóforos. “Hicimos una adaptación de un espectrómetro a un microscopio convencional y, valiéndonos de esa estructura, pudimos analizar áreas de tan solo 40 micrones e identificar qué ocurre con la luz en ese punto: qué parte se transmite, qué parte se absorbe y qué parte se refleja. Esto fue fundamental para entender el funcionamiento del filtro pigmentado y del reflector interno”, explica.
Actualmente, el investigador estudia los aspectos genéticos y evolutivos de estos sistemas emisores de luz, con énfasis en la comparación entre especies que utilizan distintas estrategias de camuflaje luminoso. El objetivo es rastrear el origen de estructuras como los filtros pigmentarios y reflectores, para determinar si surgieron en forma independiente en linajes diferentes o si provienen de un ancestro en común. Se espera que estos estudios contribuyan a reconstruir la historia evolutiva de la bioluminiscencia en ambientes marinos profundos y revelen patrones adaptativos aún poco comprendidos de la fauna de aguas profundas.
Este artículo salió publicado con el título “Iluminación submarina” en la edición impresa n° 354 de agosto de 2025.
Proyectos
1. Bioluminiscencia en hongos, escolopendras y organismos marinos. Aspectos químicos y biológicos (nº 19/12605-0); Modalidad Beca posdoctoral; Investigador responsable Cassius Vinicius Stevani (USP); Becario Douglas Moraes Mendel Soares; Inversión R$ 618.352,67.
2. Evolución y función biológica de filtros fluorescentes en fotóforos de peces demonio (Teleostei: Stomiiformes) (nº 22/01463-3); Modalidad Beca posdoctoral; Investigador responsable Marcelo Roberto Souto de Melo (USP); Becario José Rui Lima Paitio; Inversión R$ 445.348,39.
3. Nuevas luciferasas y fotoproteínas en anélidos marinos (Annelida) y sistemas bioluminiscentes dependientes de coelenterazina (nº 20/07600-7); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Anderson Garbuglio de Oliveira (USP); Inversión R$ 99.676,64.
Artículos científicos
SOARES, D. M. M. et al. Velamins: Green-light-emitting calcium-regulated photoproteins isolated from the ctenophore Velamen parallelum. The FEBS Journal. Online. 18 abr. 2025.
PAITIO, J. et al. The filter in photophores of the deep-sea fish Neoscopelus (Neoscopelidae: Myctophiformes) and its role in counterillumination spectra. Journal of Fish Biology. 8 abr. 2025.
PAITIO, J. et al. The structure of scale lens and inner reflector in the photophore of the deep-sea fish Neoscopelus microchir (Myctophiformes: Neoscopelidae): Insights into the light projection mechanisms for counterillumination. Zoomorphology. v. 144, 43. 12 jun. 2025.
