دانستنیها

بیولومینسانس چیست؟
انتشار نور از جانوران و گیاهان همیشه برای بشر جذاب و شگفت انگیز بوده است و تحقیق در مورد چگونگی این پدیده دغدغه‌ی بسیاری از طبیعتدانان، فیزیولوژیست‌ها و فیزیکدانان بوده است.

رابرت بویل در قرن 17 میلادی با ساخت یک پمپ خلا نشان داد که لومینسانس( نشر نور ) از قارچ‌ها نیازمند هوا است ودر خلا، نور منتشر نمی‌شود.
واژه‌ی لومینسانس را اولین بار Eilhardt wiedman در سال 1888 خلق کرد که به معنی انتشار نور سرد است. منظور از نور سرد این است که کمتر از 20 درصد تابش حرارتی تولید می‌شود و لومینسانس یا نور سرد نباید با فلورسانس، فسفورسانس و یا شکست نور اشتباه شود. در سال 1916 Harvey واژه‌ی بیولومینسانس را که به معنی لومینسانس از موجودات زنده است را به کار برد.

بیولومینسانس تولید و نشر نور، در اثر انجام یک واکنش شیمیایی- آنزیمی، از موجودات زنده است و بر خلاف واکنش‌های زیستی معمول، که انرژی به صورت گرما به محیط داده می‌شود، انرژی این واکنش به انرژی نورانی مبدل می‌شود.
بیولومینسانس در موجودات مختلف با اشکال ظاهری متنوع و با مکانیسم‌های مختلف انجام می‌شود. برخی جانوران اندام‌های نورانی پیچیده‌ای که مانند چشم است دارند، در این جانوران انتشار نور تحت کنترل سیستم عصبی است و نور بر اساس نیاز یا باتحریک عصبی آزاد می‌شود. از جمله این جانوران ماهی منور و اقتاپوسهای نور افشان است. در برخی دیگر یک سلول منفرد همه‌ی دستگاه‌های مورد نیاز برای نشر نور را دارد و نور به طور ممتد نشر می‌شود ( باکتری‌ها و قارچ‌های منور از این دسته هستند ). بسیاری از گروه‌های دیگر موجودات لومینسانس حد واسط این دو گروه اند.  

در مکانیسم تولید نور سرد ممکن است دستهٍ‌ای از واکنش‌های بینابینی نیز وجود داشته باشد اما واکنشی که تولید نور می‌کند واکنش نهایی مسیر است که به آن ‎« واکنش منتشر کننده‌ی نور » می‌گویند که در این واکنش از مولکول ناشر نور یک الکترون منفرد به حالت برانگیخته می‌رسد. واکنش‌های منتشر کننده‌ی نور متنوعی وجود دارد اما همه‌ی آنها شامل یک واکنش اکسیداسیون سوبسترا (مولکول ناشر نور )، که معمولاً پروتئینی به نام لوسیفرین است، می‌شود. این واکنش اکسیداتیو انرژی لازم برای برانگیختگی الکترون فراهم می‌کند.
 
اهمیت تکاملی بیولومینسانس
بیولومینسانس در موجوداتی که از این ویژگی بهرمنداند دارای اهمیت تکاملی است ومی‌توان کاربردهای زیر را به طور عمده برای آن برشمرد:
1. وسیله‌ای برای استتار- برای مثال کوسه‌ی کوکیکاتر با لومینسانس سرتاسر بدن خود را نورانی می‌کند جز ناحیه‌ای در زیر شکمش که تاریک باقی می‌ماند. این قسمت تاریک همانند ماهی تُن به نظر می‌رسد و باعث جلب ماهی‌های شکارچی می‌شود و به این ترتیب با این طعمه‌ی فریبنده، ماهی شکارچی خود طعمه‌ی کوسه‌ی کوکیکاتر می‌شود.
2. به عنوان وسیله‌ی دفاعی- دیانوفلاژلت‌ها زمانی که حمله‌ی شکارچی‌هایشان را حس می‌کنند با لومینسانس باعث جلب شکارچی‌‌های بزرگتر نیز می‌شوند که شکارچی‌های اولیه را شکار می‌کنند و دیانوفلاژلت‌ها را از خورده شدن نجات می‌دهند.
3. جلب طعمه – anglerfish برای جلب طعمه از لومینسانس استفاده می‌کند.
4. جلب جفت- کرم‌های شب تاب در فصل جفتگیری با تابش نور جلب جفت می‌کنند.
5. برای برقراری ارتباط- این استفاده از بیولومینسانس بیشتر در کلونی‌های باکتری‌های لومینسانس کننده دیده می‌شود.  
 
ایده ی درخشان برای کاربرد فناوری بیولومینسانس
نور زنده از کرم شب تاب، باکتری ها، و دیگر مخلوقات شب تاب، می تواند روش های ما برای روشن سازی شهرهایمان، مبارزه با سرطان و یافتن سموم در آب ها را تغییر دهد.
بسیاری از ما بیولومینسانس را از نور سبز-زرد شکم کرم شب تاب در جنگل می شناسیم. اما موجودات دیگری در خشکی از جمله برخی قارچ ها  و حلزون ها نیز شب تاب اند همچنین در اقیانوس، عروس های دریایی و باکتری های شب تاب همزیست با ماهی ها این توانایی را دارند.

امروزه، محققان در تلاش اند تا با سلطه بر مواد زیستی تابنده آنها را به خدمت گیرند. خوشبختانه، واکنش شیمیایی دخیل در پدیده ی بیولومینسانس نسبتاً ساده است. پروتئین ساتع کننده نور، لوسیفرین نامیده می شود، در حضور آنزیمی به نام لوسیفراز با اکسیژن واکنش می دهد. برخلاف نور تولید شده توسط آتش یا الکتریسیته، حاصل پدیده بیولومینسانس «نور سرد» است و واکنشی که نور تولید می کند انرژی بسیار کمی را به صورت گرما هدر می دهد. این جنبه از پدیده بیولومینسانس در محیط های حساس، مانند بافت موجود زنده، بسیار ارزشمند است. این یکی از دلایلی است که محققان از نور زیستی برای مطالعات بالینی، سیستم های سلاح های نظامی و کاربردهای دیگری که به آنها خواهیم پرداخت بهره برداری می کنند.

1-  آبنبات نورانی
آبنبات ها می توانند با طعم ترش لیمو یا تندی و تیزی دارچین جوانه های چشایی ما را قلقلک بدهند. اما BioLume می خواهد آبنبات هایی بسازد که کار جدیدی انجام می دهند؛ روشن شدن!
این شرکت که در کارولینای شمالی واقع است، چند سال است که بر روی روشی برای افزودن ترکیبات زیست تاب به آبنبات چوبی، آدامس، کیک های روکش دار و سایر تنقلات کار می کند. منشا آنزیم های نورسازی انتخابی شرکت BioLume که اکنون در آزمایشگاه کلون شده است، از موجودات دریایی است. افزودن اکسیژن و محلول آبی، که همان بزاق شما است، به خوراکی های حاوی پروتئین های بیولومینسنت واکنش آزاد کننده فوتون را به راه می اندازد. بسته به غلظت ترکیبات تابنده، مدت زمان درخشیدن در دهان می تواند از فواصل چند ثانیه ای بین لیس زدن ها تا چند دقیقه باشد.

تری ویلارد، مدیر ارشد اجرایی شرکت BioLume، اعلام کرده است که این شرکت به دنبال به تائید رساندن این محصول توسط اداره غذا و داروی آمریکا (FDA) است، هرچند چین ممکن است پیش دستی کرده و سریع تر از آنها قفسه های فروشگاه ها را از شیرین  ها و خوراکی های بیولومینسانس پر کند. به گفته وی این شرکت تولید خود را با آبنبات چوبی های تابان و دیگر آبنبات های سخت آغاز خواهد کرد، اما در عین حال به دنبال روشی برای معلق ساختن بسته هایی از ترکیبات افزودنی لومینسنت در مواد ژله ای، آبکی و مایعات است تا به این ترتیب بتوان بستنی، کیک خامه ای و نوشیدنی های تابان نیز تولید کرد.
2- تست تورنسول برای سموم
شرکت زیست فناوری SDIX واقع در دلور، یک نوع باکتری بیولومینسنت دریازی را در کیتی به نام میکروتوکس که برای سنجش کیفیت آب استفاده می شود، به کار برده است. تابش باکتری هنگامی که برخی مواد شیمیایی از قبیل فلزات سنگین و آفت کش ها فرایند تولید نور را قطع کنند، کاهش می یابد.
بر اساس تلاش های Cassius Stevani، استاد دانشگاه سائوپائولوی برزیل، قارچ های بیولومینسنت نیز به زودی می توانند سیگنال مشابه ای را تولید کنند و به عنوان بیوسنسور مورد استفاده قرار بگیرند.
بیش از 70 گونه از قارچ های تابان نور تولید می کنند، و مانند باکتری های کیت میکروتوکس، نور آنها در حضور سموم کم سو می شود. این اتفاق به ویژه در میسل های قارچ ها که عموماً در زیر خاک یافت می شوند، رخ می دهد. با توجه به اینکه قارچ های بیولومینسنت در سراسر جهان گسترده اند، این روش شناسایی را می توان با هر قارچ بیولومینسنت مربوط به یک منطقه خاص به کار برد.
 

نوعی قارچ بیولومینسنت

در جایی دیگر، محققان میکروارگانیسم ها را به طوری اصلاح کرده اند که به جای کاهش نور و تاریک شدن، هنگامی که در معرض مواد آلاینده مورد نظر قرار می گیرند روشن شوند. به گفته ی یک پروفسور میکروبیولوژی از دانشگاه لوزن سوئیس، آشکارسازی افزایش نور در مقایسه با یک سطح پایین نور نسبت به کاهشش در مقایسه با سطح بالای نور آسان تر است. ترفند مورد استفاده اتصال ژنتیکی  پیام رسان های متابولیسمی است که در حضور ماده خاصی، که محقق در جستجوی آن است، در فرایند بیوشیمی تولید نور باکتری رخ می دهد.  در تصویر زیر نمونه ای از به کارگیری این تکنیک در باکتری هایی که نسبت به آرسنیک، که یکی از آلاینده های رایج در آبها است، و هیدروکربن های روغنی واکنش نشان می دهد مشاهده می شود.
 
3.روشنایی شهر با درختان روشن
اولین رویاپردازی ها برای کاربرد تکنولوژی بیولومینسانس، جایگزینی برای جریان الکتریسیته در روشن سازی خیابان ها در شب، علائم جاده ای روشن و نور داخلی می باشد.  مسیر  رسیدن به آرزو استفاده از مهندسی ژنتیک و وارد کردن ژن های مربوط به پدیده بیولومینسانس از کرم شب تاب و باکتری های دریایی بیولومینسنت به درختان است. برگ درختان در طول روشنایی روز نور آفتاب را جمع می کنند تا در طول شب انرژی تولید کنند. برگ های تابان را می توان با وصل کردن ژن هایی که ریتم شبانه روزی گیاهان را کنترل می کنند روشن و خاموش کرد؛ به این ترتیب گیاهان در طول شب روشن  و طی روز خاموش می شوند. درختان تنها به هوا، آب و مواد معدنی خاک نیاز دارند تا وظیفه نورپردازی شهری را ادامه دهند، که از لحاظ تئوری قطعاً ممکن است. تصویری از یک مدل سه بعدی نورپردازی شهری با تکنولوژی بیولومینسانس را در زیر مشاهده می کنید. این مدل توسط تیمی از موسسه سنگر در دانشگاه کمبریج که بر روی این پروژه کار می کنند طراحی شده است.

اولین گیاه لومینسانس کننده گیاه تنباکویی بود که طوری تغییر ژنتیکی یافته بود تا ژن آنزیم لوسیفرازی که از کرم شب تاب با نام علمی  Photinus pyralis گرفته شده بود را بیان کند و لوسیفراز تولید کند. هنگامی که گیاه با محلول حاوی لوسیفرین و محیط کشت حاوی مواد غذایی، آبیاری می شود، لومینسانس در بافت های گیاه مشاهده می شود که در زیر تصویر آن را مشاهده می کنید. این مورد اولین تجربه ای بود که یک موجود پرسلولی تراریخت بیولومینسانس کننده به نمایش گذاشته شد. این تصویر یک «لومینوگراف» است که با قرار دادن مستقیم  گیاه در مقابل یک تکه از فیلم اکتاکروم (Ektachrome) 200 گرفته شده است و نوامبر 1986 در مجله ساینس به چاپ رسید.   

اولین موفقیت در خلق گیاه «اتولومینسانس» مهندسی شده در آزمایشگاه، توسط کریچوسکی و همکارانش، در مجله PLoS ONE نوامبر 2010 به چاپ رسید. در آن پروژه محققان ژن های نوعی باکتری تابان را به ژنوم کلروپلاست گیاه تنباکو پیوند زدند، و آن را به تابش ضعیفی به طور خود به خودی و بدون نیاز به پمپ کردن لوسیفرین برای ادامه یافتن واکنش، واداشتند.

چالش عمده برای عملی کردن استفاده از تکنولوژی گیاهان اتولومینسانس به عنوان منبع نور، این است که رفته رفته بر میزان روشنایی آن افزوده می شود. گروه کمبریجی این مورد را هنگامی که یک لامپ حبابی از باکتری های مهندسی شده «ای.کولای تابان» ایجاد کرده بودند، تجربه کردند. تئو ساندرسون، عضوی از گروه کمبریجی این پروژه، در مورد این تجربه می گوید: «برای ما مهیج بود که حتی قادر بودیم در نور لامپی که اختراع کردیم مطالعه کنیم، اما به دلیل افزایش تدریجی شدت نور، به این زودی ها نمی توان این نور را جایگزین علائم جاده ای کرد».