Bioluminescence

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Bioluminescence

  1. 1. BioluminescenceAller à : Navigation, rechercherRendu artistique dun krill bioluminescent (aquarelle par Uwe Kils)Bioluminescence du champignon Panellus StipticusOmphalotus nidiformis, éclairé et lumière éteintePanellus Stipticus
  2. 2. Plancton bioluminescent (Lingulodinium polyedrum)La bioluminescence est la production et lémission de lumière par un organisme vivantrésultant dune réaction chimique au cours de laquelle lénergie chimique est convertie enénergie lumineuse.Le mot a pour origine le terme grec bios signifiant vie et le terme latin lumen, lumière.La bioluminescence est une forme de luminescence, produisant une lumière dite froide carmoins de 20 % de la lumière génère de la chaleur. Elle ne doit pas être confondue avec lafluorescence, la phosphorescence ou de la lumière réfractée.La bioluminescence peut être générée par des organismes symbiotiques hébergés au sein dunorganisme plus grand. Le composé chimique à lorigine de la luminescence est la luciférine.Celle-ci émet de la lumière en soxydant grâce à lintervention de la luciférase, une enzyme.La réaction chimique peut avoir lieu à lintérieur ou à lextérieur de la cellule. Chez lesbactéries, lexpression des gènes liés à la bioluminescence est contrôlée par un opéron appelélux operon.Sommaire 1 Distribution 2 Fonction de la bioluminescence o 2.1 Camouflage o 2.2 Attraction o 2.3 Répulsion o 2.4 Communication 3 Types de bioluminescence o 3.1 Bioluminescence intracellulaire o 3.2 Bioluminescence extracellulaire o 3.3 Symbiose avec des bactéries luminescentes 4 Utilisation en biotechnologie 5 Bibliographie 6 Notes et références 7 Liens externesDistributionLa majorité des émissions lumineuses marines appartiennent au spectre lumineux du bleu etdu vert, les longueurs donde qui peuvent être transmises aisément à travers leau. Plusrarement, certaines espèces émettent dans le rouge ou dans linfrarouge.La bioluminescence non marine est plus rare mais autorise une variété de couleurs plusimportante. Les formes de bioluminescence terrestre les plus connues sont les lampyres et leslucioles mais des facultés de bioluminescence ont été décrites chez dautres insectes, desarachnides et chez certains champignons.
  3. 3. Lhomme émet également de la lumière dorigine bioluminescente, mais en quantité si infimequelle nest perceptible que par des appareils photographiques extrêmement sensibles1.Fonction de la bioluminescenceIl existe quatre théories principales pour lévolution du caractère de bioluminescence :CamouflageBien que cela puisse paraître paradoxal, certains poissons utilisent la bioluminescence à desfins de camouflage. En effet, à des profondeurs moyennes, les prédateurs traquent leursproies par dessous, le contour des proies se dessinant ainsi comme des ombres chinoises dansla faible lumière arrivant de la surface. Certains poissons grâce à la bioluminescence produitesur leur région ventrale (qui simule la lumière de la surface) deviennent artificiellementtransparents aux prédateurs en dessous deux.AttractionLinophryne lucifera, un poisson abyssal avec un appendice frontal bioluminescent.La bioluminescence peut également être utilisée comme un leurre par différentes espècesabyssales comme certains lophiiformes. Un appendice lumineux ballant et sétendant au-dessus de la tête du poisson permet ainsi dattirer les petits animaux à une distance autorisantlattaque.Lattraction des partenaires sexuels est une autre fonction de la bioluminescence. On la trouvenotamment chez les lampyres qui utilisent un flash périodique au niveau de leur abdomenpour attirer leur partenaire lors de la reproduction.Le plancton bioluminescent, que lon trouve dans les eaux propres, comme sur les côtes nordde Bretagne près de Saint-Malo, dans les réserves, en Corse et au sud-est de France :Porquerolles… Les micro organismes composant le plancton utilisent la bioluminescencepour être mieux vus des poissons : le poisson, attiré par ses lumières arrive et les avale. Leplancton se reproduit plus vite dans labdomen du poisson que dans leau alentour (présencede bactéries, température plus élevée…), et il arrive ainsi que dans des régions où leau estplutôt pure, on puisse voir de petits nuages bleutés se former dans l’eau si on samuse à laremuer.RépulsionCertains calmars et petits crustacés utilisent des mélanges chimiques bioluminescents(également des boues de bactéries bioluminescentes) afin de repousser les attaques desprédateurs de la même manière que beaucoup de calmars utilisent lencre : un nuage de
  4. 4. luminescence est expulsé déroutant ou repoussant un potentiel prédateur permettant ainsi aucalmar ou au crustacé de prendre la fuite en toute sécurité.CommunicationLa bioluminescence pourrait également jouer un rôle direct dans la communication entrebactéries (voir quorum sensing). Elle induit également la symbiose entre des bactéries et uneespèce hôte et pourrait jouer un rôle dans lagrégation de colonie.Types de bioluminescenceLa bioluminescence peut être divisée en trois types principaux : une bioluminescenceintracellulaire, une extracellulaire et celle des bactéries symbiotiques.Bioluminescence intracellulaireLa bioluminescence intracellulaire est générée par des cellules spécialisées du corps decertaines espèces multicellulaires dont la lumière est émise vers lextérieur à travers la peauou intensifiée par des lentilles et des matériaux réfléchissants (comme les cristaux durate deslucioles ou les plaques de guanine de certains poissons). Ce type de bioluminescence est cellede nombreuses espèces de calmars.Bioluminescence extracellulaireMécanisme général des réactions de bioluminescencesLa bioluminescence extracellulaire est réalisée à partir de la réaction entre la luciférine et laluciférase, une enzyme. Une fois synthétisé, chaque composant est stocké dans des glandes dela peau ou sous celle-ci. Lexpulsion et le mélange de chaque réactif à lextérieur produit desnuages lumineux. Ce type de bioluminescence est commun à quelques espèces de crustacés etaux céphalopodes abyssaux.Symbiose avec des bactéries luminescentesCe phénomène est uniquement connu chez les animaux marins comme les cténophores, lescnidaires, les vers, les mollusques, les échinodermes et les poissons. Il semble que ce soit letype de bioluminescence le plus répandu du règne animal.À différents endroits du corps, les animaux disposent de petites vésicules, communémentappelées photophores qui renferment des bactéries luminescentes. Certaines espècesproduisent de la lumière continue dont lintensité peut être neutralisée ou modulée au moyen
  5. 5. de diverses structures spécialisées. Les organes lumineux sont généralement reliés au systèmenerveux ce qui permet à lanimal de contrôler lémission lumineuse.Utilisation en biotechnologieLa bioluminescence des organismes est la cible de nombreux domaines de recherche.Lutilisation de la luciférase est répandue en génie génétique comme gène marqueur.Des bactéries du genre Vibrio en symbiose avec de nombreux invertébrés marins comme laseiche Euprymna scolopes ou des poissons sont un modèle expérimental clé dans létude dessymbioses, du quorum sensing et de la bioluminescence.En biotechnologie, la bioluminescence a permis le développement de lATPmétrie. En effet,la luciférase est également capable de réagir avec ladénosine triphosphate (ou ATP). Ellepermet donc de quantifier la biomasse dans un échantillon grâce à un appareil appeléluminomètre qui mesure lintensité lumineuse.BibliographieII- La Bioluminescencele Le monde animal et végétal admet de multiples espèces lumineuses;des bactéries, des champignons et des animaux très divers ont lafaculté démettre de la lumière. Cette manifestation dêtre vivants,dans lobscurité de la nuit ou des profondeurs marines, estparticulièrement étrange et fascinante.Ce phénomène que lon nomme " photogenèse "ou de façon plus usuelle,"bioluminescence " touche aux problèmes biologiques les plus variés.On sait que la lumière émise résulte de réactions chimiques, mais le rôlecomportemental des émissions lumineuses reste souvent hypothétiqueou énigmatique. Comment et pourquoi certains êtres vivants peuvent-ils émettre de lalumière et comment peut-on lutiliser ? Réaction de bioluminescence
  6. 6. Cest le physiologiste français Raphael Dubois qui, en 1887, découvre que lephénomène de bioluminescence est du à loxydation dune substance cellulaire quilappelle luciférine, ce nom na cependant aucune signification chimique car ilexiste une grande diversité de molécules substrats. Ce type de réaction nécessite laprésence dune enzyme que Raphael Dubois appelle la luciférase Puis laméricainW.D.McElroy découvre que la réaction de bioluminescence ne peut se faireuniquement en présence dadénosine triphosphate appelé plus simplement ATP,qui est un transporteur dénergie dans tous les organismes vivants, et dionsmagnésium Mg2+. On ignore cependant comment ces composés sont synthétiséspar les animaux. Pour illustrer ce phénomène, nous allons étudier le cas de laluciole.Cette réaction est une réaction enzymatique, cest à dire quelle entraine uneréaction de synthèse, ce qui constitue les réactions du métabolisme cellulaire. La réaction débute avec le complexe MgATP qui se lie à la luciférine. Puis, la luciférine réagit avec la luciférase pour donner de la luciférine adénylate. cest aussi à cet instant que le PPi (pyrophosphate) est produit. Loxygène va oxyder ce complexe et donne de loxyluciférine qui va libérer de lAMP (adénosine monophosphate) Ce complexe est alors dans un état électronique excité et produit un photon, donc de la lumière
  7. 7. Fonctions de bioluminescence chez les animaux La bioluminescence est utilisée pas les animaux pour plusieurs raisons. La défense- Des méduses et étoiles de mer émettent des éclairs pour effrayer des prédateurs. - Certains poissons-lanternes agitent le photophore présent sur leur crête dorsalelorsquil y a un danger (Photo A). Un petit crustacé, loplophorus (Photo B), éjectedans leau de la luciférine et de la luciférase qui réagissent en formant un nuage delumière dans leau pour faire diversion
  8. 8. - La bioluminescence permet aussi à certains poissons de se camoufler. ilspossèdent des photophores ventraux donc si le prédateur est sous la proie, il leconfond avec la lumière du ciel. Lattraction des proies- Certains poissons possèdent une partie de leur corps lumineuse pour attirer leursproies Comme les poissons pêcheurs, les melanocetus johnsonii.- En Nouvelle-Zélandes, dans les grottes de Waitomo, des larves demoustiquesdéveloppent des fils lumineux déstinés à capturer les insectes volants.
  9. 9. La communication- Des mâles lucioles secrètent des petits amas de lumière pour séduire les femelles. Applications de la bioluminescence LATPmétrieLATPmétrie est une technique permétant de mesurer la quantité dATP présentedans un échantillon. Comme on la vu précédamment, lATP est présente dans tousles organismes vivants, on peut donc détecter des traces de bactéries dans unproduit. Ce procédé est utilisé dans de nombreux domaines. Lintensité de lalumière émise lors du test est donc quantativement lié à la masse de bactériesprésentes dans léchantillon. 1. Domaine Environnemental Le traitement des eaux : La protection de l’environnement dépend en partie dubon fonctionnement des stations d’épuration biologiques. Celles-ci sont chargéesen boues, constituées d’êtres vivants en perpétuelle évolution que lon appelle labiomasse. La productivité des stations est directement liée à l’état physiologique dela biomasse. On cherche à contrôler l’activité de cette biomasse bactérienne dans laboue. Dans ce cas là la biochimie à un rôle très important car elle utilise desméthodes qui permettent la capacité de former des amas plus dense que l’eau, Ce
  10. 10. qui permet une décantation des boues par gravité. Le traitement biologique estparticulièrement étudié car, grâce à des temps de séjour très courts, il permetd’importantes économies sur la taille des bassins des stations. 2. Domaine médical La bioluminescence peut aussi être utilisé dans les diagnostics médicaux, il est eneffet parfois nécessaire de connaitre rapidement de taux de contamination dunliquide corporel. Mais dautres applications de la bioluminescence dans ce domainepeuvent aussi être observées :- Maladies hépatiques : On peut détecter ces maladies car le taux dATP baissedans les hématies.- Dermatologie : LATP sutilise pour voir à quelle vitesse se renouvelent lescellules de la peau.- Infections urinaires : Certains malades atteints dinfections urinaires présentent untaux de bactéries croissant dans les urines, le taux dATP est donc croissant aussi.- Médicaments : Evaluation de la sensibilité microbienne aux médicaments.- Dentition : On peut détecter la biomasse vivante sur la plaque dentaire.- Contôles de stérilité : Des contrôles sont obligatoires sur des produits injectablesà des humains ou des animaux. 3. Domaine Agro-ALimentaire Cest le domaine le plus étudié actuellement. On peut, grâce à lATPmétrie,détecter la contaminations des produits tels que le lait ou les juts de fruits.- Le Lait : LATPmétrie est utilisé pour détecter des cellules somatiques, car laprésence de ces cellules indique une mamite, qui est une inféction du pis de lavache. Le lait ne contient pourtant pas forcément beaucoup de bactéries.- Les Ovoproduits : Tous les produits dérivés des oeufs ne doivent pas contenirplus de 104 bactéries par grammes lATPmétrie permet donc de faire des tests pourvoir si ces produits sont aux normes.- Les Boissons aux fruits : La fabrication de jus de fruts nésessite une productiontrès stérile. mais les traitements actuels ne sont pas totalement fiables et prennentbeaucoup de temps contrairement à ATPmétrie.
  11. 11. - Les Viandes : Pour les industreiels, il est important de prévoir la date limmite deconsommation de leur viandes et pour localiser les foyers de contamination pourlutter efficacement contre la dissémination de ces bactéries.- Les Levains : Le dosage de lATP est la méthode la plus rapide et la plus simplepour évaluer la viabilité des levains microbiens et concernent les domaines tels quela laitrie, la brasserie et la vinification. Mais lATPmétrie peut aussi bien être utilisé dans des tests de toxicité, dans lecontrôle de dégradation des produits textiles par des agents microbiens, dans lastérilité des produits cosmétiques, dans des armes bactériologiques ... toujoursselon le même principe. Appareils et techniques de mesure : le luminomètreLe luminomètre est le moyen le plus sensible et le plus pratique pour quantifierlintensité de lumière dégagé par le réaction de bioluminescence. Cet appareilpossède une chambre à échantillons qui doit être isolé de la lumière ambiante pouréviter les interférences, puis lappareil "compte" les photons dégagés par laréaction. Enfin, il envoi les informations sur un programme spécial permettant delire les résultats.
  12. 12. LImagerie par Bioluminescence La bioluminescence est étudiée en ce moment sur les cellues cancéreuses. Lorsde ces expériances, la luciférase est utilisé comme gène marqeur. En effet, ladissémination des cellules cancéreuses est la cause majeure de mortalité chez lespersonnes atteintes du cancer : des cellules se détachent de la tumeur primaire et sedéplace dans les vaisseaux sanguins pour aller se placer dans dautres parties ducorps. Un cancer disséminé est plus résistant aux thérapies, la bioluminescencepermet alors de situer ces cellules cancéreuses. Cette technique est appelléelimagerie par bioluminescence (IB)

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