Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Luciferasi


Molecola del Mese di Giugno 2006

Luciferasi
Vi ricordate la prima volta che avete visto una lucciola? Se vivete in qualche posto tra le Montagne Rocciose e la costa est degli Stati Uniti, probabilmente avete rincorso le lucciole fin da bambini. Se invece vivete in altre parti del mondo, come me, probabilmente avrete avuto la gioia di scoprire le lucciole durante una vacanza estiva. Le lucciole possono aggiungere poesia e meraviglia anche alla più bella serata d'estate ad Assisi.

Brilla piccola lucciola, brilla
La luce fredda e verdastra delle lucciole è prodotta dall'enzima luciferasi, mostrato qui a destra (file PDB 2d1s). La produzione di luce non è un processo facile. Richiede molta energia, infatti ogni singolo fotone di luce verde richiede un'energia pari a quella prodotta dalla rottura di otto molecole di ATP. Per questo la luciferasi usa un processo che libera molta energia per produrre la luce. Contiene il coenzima luciferina che forma un complesso instabile con l'ossigeno O2, e utilizza una molecola di ATP per formarlo. Quando la luciferina ossigenata si rompe formando CO2, dà luogo ad una forma eccitata che poi emette luce.

Illuminare la via
Dato che la reazione della luciferasi genera luce richiedendo solo ossigeno e ATP, alcuni ricercatori hanno pensato di utilizzarla nella ricerca scientifica.
Dapprima è stata usata per misurare la quantità di ATP all'interno delle cellule, infatti se queste si illuminano deve essere presente ATP.
In seguito, la luciferasi è stata usata legata ad altre proteine che così potevano essere individuate all'interno di organismi viventi. La luce emessa però è spesso troppo debole per individuare singole cellule, ma può essere utilizzata per individuare ammassi di cellule cancerose. Osservando le cellule luminescenti, i ricercatori possono seguire un cancro mentre cresce e produce metastasi. Con questa tecnica si possono anche testare nuove terapie anticancro semplicemente osservando se la crescita delle cellule cancerose si arresta.

Brillare nel Buio
Il meccanismo chimico della bioluminescenza è stato riscoperto molte volte, nel corso dell'evoluzione, dai batteri, dai funghi, dagli anemoni di mare, dai dinoflagellati e, naturalmente, dalle lucciole. In tutti questi casi c'è una proteina luciferasi che usa come coenzima una luciferina per catturare l'ossigeno. Le proteine nei vari casi sono molto differenti e anche le luciferine hanno forma e dimensioni diverse, questo indica che si sono tutte evolute in modo indipendente per realizzare la stessa funzione.
Qui sono mostrati due esempi. La molecola sulla sinistra viene da un batterio (file PDB 1brl) mentre quella sulla destra viene da un dinoflagellato, un protozoo unicellulare responsabile della luminescenza verdastra che si osserva nelle onde che si infrangono (file PDB 1vpr). Tutte e due queste strutture includono solo la proteina luciferasi mentre manca il cofattore luciferina



Esplorando la Struttura
Il colore della luce emessa dalla luciferasi è fortemente dipendente dagli amminoacidi che circondano la luciferina.
La luciferasi qui a lato sulla sinistra (file PDB 2d1s) è prodotta da una lucciola giapponese. Normalmente emette una luce giallo-verde, ma sostituendo un amminoacido serina con una asparagina, il colore diventa rosso, come nella molecola sulla destra (file PDB 2d1t). Stranamente, l'amminoacido sostituito si trova in una zona lontana dalla luciferina, per questo si pensa che il cambio di colore della luce emessa sia dovuto ad un cambio di flessibilità attorno alla luciferina provocato dalle piccole variazioni nella posizione degli amminoacidi.






Qui a fianco è mostrata la luciferina contenuta nel file 2d1s. Non è la vera luciferina contenuta nella proteina nativa, ma un analogo della forma eccitata della luciferina naturale. Notate che contiene un nucleoside formato da adenina e ribosio (in basso) legato attraverso un gruppo solfato giallo e rosso (a destra in alto) al carbossile della luciferina (lunga molecola in alto).











Bibliografia

1) T. Wilson and J. W. Hastings (1998) Bioluminescence. Annual Review of Cell and Developmental Biology 14, 197-230.

2) T. O. Baldwin (1996) Firefly luciferase: the structure is known, but the mystery remains. Structure 4, 223-228.

3) D. K. Welsh and S. A. Kay (2005) Bioluminescence imaging in living organisms. Current Opinion in Biotechnology 16, 73-78.