Nell’attesa che queste giornate uggiose e fredde lascino il posto alle calde sere d’estate, anticipiamo un po’ i tempi e proviamo ad immaginare quei piccoli lampi luminosi che molti di noi osserviamo solitamente di notte. Ecco molto probabilmente quelle luci sono le lucciole, veri e propri artisti di un fenomeno veramente emozionante che in chimica e’ chiamata bioluminescenza. Ma cosa c’è dietro questo spettacolo naturale? Ovviamente, come abbiamo appena detto, la chimica!
Il segreto della luce delle lucciole
Le lucciole sono una piccola famiglia di coleotteri diffusa in tutto il mondo con circa 2000 specie.
I Lampiridi (Lampyridae Latreille)
Le lucciole producono luce grazie a una reazione biochimica che avviene nelle cellule specializzate dell’addome. Il protagonista di questo fenomeno è una molecola chiamata luciferina, che reagisce con l’ossigeno in presenza di un enzima, la luciferasi, e di ATP (adenosina trifosfato, la principale fonte di energia delle cellule).
L’energia liberata dalla reazione non viene dispersa sotto forma di calore (come accade nelle lampadine a incandescenza), ma è quasi interamente convertita in luce visibile: un vero esempio di efficienza energetica!
Nonostante gli scienziati abbiano studiato a fondo la bioluminescenza delle lucciole negli ultimi decenni, alcuni dettagli del processo restano ancora un mistero per via della sua complessità. Ciò che sappiamo con certezza è che questo affascinante fenomeno dipende da due elementi chiave: la luciferasi, un enzima presente nelle lucciole, e la luciferina, la molecola che funge da substrato per la reazione chimica.
Non è noto con certezza quanti tipi di luciferine siano presenti in natura, ma queste molecole organiche sono una classe di composti eterociclici che emettono luce utilizzate dagli organismi che sfruttano la bioluminescenza.
Ad esempio esiste un tipo di luciferina chiamata coelenterazine, sfruttata da molti organismi acquatici come il pesce lanterna.
La più spettacolare manifestazione di bioluminescenza rimane forse quella proveniente dal plankton dinoflagellate, che illumina le onde di un colore blu brillante talvolta visibile sulla superficie dell’oceano. Questa volta la luciferina responsabile e’ la dinoflagellate, che illumina le onde di un colore blu brillante.
Insomma abbiamo capito non esiste un unico colore quando parliamo di luciferine!
Perché le lucciole brillano?
La bioluminescenza ha una funzione comunicativa: in molte specie, i maschi e le femmine emettono segnali luminosi per riconoscersi e accoppiarsi. Alcune lucciole, invece, usano questa capacità per spaventare i predatori, segnalando la presenza di sostanze tossiche nel loro corpo.
Cosa minaccia le lucciole?
Eppure queste fantastiche immagini estive delle lucciole rischiano di diventare un ricordo. Oltre alla cementificazione che distrugge il loro habitat e all’inquinamento luminoso, che rende difficile l’incontro tra maschi e femmine, un serio pericolo è rappresentato dall’uso dei pesticidi in agricoltura. Ovviamente non possiamo non dare la colpa anche ai cambiamenti climatici: l’alterazione delle temperature e dei cicli stagionali può influenzare la loro sopravvivenza e riproduzione.
La chimica delle lucciole in medicina: dalla bioluminescenza alla diagnosi.
La reazione biochimica che permette alle lucciole di brillare non è solo un fenomeno naturale affascinante, ma ha anche applicazioni cruciali in campo medico e biotecnologico. Il sistema luciferina-luciferasi, infatti, è sfruttato in diversi ambiti diagnostici e terapeutici grazie alla sua elevata sensibilità e specificità.
L’ATP è la principale fonte di energia delle cellule e la sua presenza è un indicatore di vitalità cellulare. La luciferasi delle lucciole è in grado di rilevare quantità minime di ATP con una sensibilità straordinaria.
Questo principio viene applicato per:
📌 Monitorare la vitalità cellulare nei test di citotossicità per farmaci o sostanze tossiche.
📌 Diagnosticare infezioni batteriche: molti batteri rilasciano ATP, quindi la luciferasi può essere usata per rilevare contaminazioni microbiche in campioni biologici o ambientali.
📌 Controllare la sterilità in ambienti sanitari e alimentari, identificando la presenza di microrganismi in superfici e strumenti.
Imaging bioluminescente: tracciare tumori e infezioni.
Una delle applicazioni più rivoluzionarie è l’imaging bioluminescente, una tecnica non invasiva utilizzata per monitorare processi biologici in tempo reale.
Ma come funziona?
Le cellule tumorali o infettive vengono modificate geneticamente per esprimere la luciferasi. Quando viene somministrata la luciferina, queste cellule emettono luce, permettendo di visualizzare la loro localizzazione e progressione all’interno dell’organismo tramite speciali fotocamere sensibili.
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Le applicazioni principali sono sicuramente:
• Studio della progressione tumorale: permette di seguire la crescita di cellule tumorali e valutare l’efficacia di nuovi farmaci.
• Monitoraggio delle infezioni: utile per osservare la diffusione di batteri o virus in modelli animali, aiutando nella ricerca di antibiotici o antivirali.
• Trapianti cellulari: consente di verificare l’integrazione e la sopravvivenza di cellule trapiantate nei pazienti.
Ma la lista non finisce certamente qua! La tecnologia basata sulla bioluminescenza viene utilizzata in test diagnostici rapidi per individuare patogeni o per terapie innovative e screening di farmaci.
La chimica delle lucciole si è trasformata in uno strumento potente per la medicina moderna. Da semplice fenomeno naturale, la bioluminescenza è diventata una tecnologia di frontiera per la diagnosi, il monitoraggio delle malattie e lo sviluppo di nuove terapie. Un perfetto esempio di come la natura ispiri la scienza!
Dott. Francesco Domenico Nucera
FONTI:
- https://www.nationalgeographic.it/come-si-illuminano-le-lucciole
- MCCAPRA, F., et al. Bioluminescence and chemiluminescence: Fundamentals and applied aspects. by AK Campbell, LJ Kricka and PE Stanley, John Wiley and Sons, 1994, 387.
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ct200045q
- https://web.archive.org/web/20060923231736/http://www.minerva.unito.it/Chimica%26industria/SR/ApplLumin/Applicazioni01.htm
Pillole di chimica 