Biyolüminesans
Yaşar Yurtsever – İstanbul Teknik Üniversitesi
Biyolüminesans kısaca kimyasal enerjinin ışık enerjisine dönüştürülmesi olayıdır ve kemilüminesansın özel bir formudur. Genellikle 440-480 nm dalga boylarında görülebilir ışıklar yayarlar (mavi, yeşil ve turuncu gibi). Yayılan ışık canlıdaki lusiferinin türüne göre bağlı olarak değişebilir. İlk keşfeden bilim insanı Robert Boyle (17.yy), bu olaya ‘parlayan et’ ismini vermiştir. Daha sonra bu parlama işini yapanın bizzat canlının kendisi olduğu ortaya çıkarılmıştır. Biyolüminesans olayı yaygın olarak bakteri, mantar, balık ve böcek türlerinde gözlemlenmektedir.
Daha da sonra yapılan çalışmalar bu olaydan genel olarak bilinen Lusiferin maddesinin sorumlu olduğunu buldular. Lusiferin, biyolüminesans olayında genel olarak ışık verici maddelere verilen genel bir addır. Ancak, sadece lusiferin substratının olması yetmez, yanında lusiferaz enzimi, oksijen gibi bileşiklere de ihtiyacı var. Yani genel denklem:
ATP + Lusiferin + Ko-faktör (O2) + Lusiferaz + Mg+2 (veya Ca+2 gibi metal iyonları) ➡
AMP + Oxyluciferin + PPi* + CO2 + LİGHT
-PPi: ATP’den AMP’ye geçerken tek tek kopması gereken 2 fosfatın birlikte kopup P2O74- (Pyrophosphate) oluşturmuş haline verilen addır.
Yani denklemi yorumlamak gerekir ise bu işlemin olabilmesi için oksijene ihtiyaç vardır çünkü lusiferinin oksijen ile tepkimeye girip oksilusiferin oluşturması gerekir ve elbette ATP. Reaksiyon sırasında lusiferin oksijen ile etkileşir ve 2 elektronunu kaybeder. Oksilusiferin tekrar lusiferine döndüğünde ışık fotonları salar.
Tabi ki daha farklı tepkimeler de vardır. Örneğin, lusiferin, lusiferaz ve ko-faktör (O2)’ün bir arada bulunduğu fotoproteinler ortama uygun bir iyon eklendiğinde ışık verebilirler.
Biyolüminesans olayı %100 verimli bir reaksiyondur yani enerjinin tamamı ışık olarak ortaya çıkar herhangi bir ısı kaybı olmaz. Bu nedenle bu olay “Soğuk Işık” olarakta isimlendirilir. Kafada canlandırmak için ufak bir örnek; günümüz ampulleri yaklaşık olarak 3-4% verim ile ışık verir ve kalan kısım ısı olarak dışarı çıkmaktadır.
Biyolüminesans canlılara çeşitli faydalar sağlamaktadır. Örneğin, biyolüminesans balıklar bu özelliklerini karşı cinsi etkilemek, birbirleri ile iletişim kurmak, avcı tarafından köşeye sıkıştırıldığında daha büyük bir avcının dikkatini çekerek ilk avcıyı av durumuna düşürmek, kamuflaj, avcıyı ürkütmek (örneğin bazı balıkların vücutlarında biyolüminesans şeritler bulunmakta ve daha fazla kolu varmış gibi gözüküp avcıyı ürkütebilmekte) veya bazı ahtapot türleri bu özellikleri avcının kafasını karıştırıp kaçacak zaman bulmak için kullanır.
Avcıyı ürkütmek konusuna güzel bir örnek Vampir Kalamar (Vampyroteuthis) olacaktır. Bu canlı derin denizlerde ılıman okyanuslarda yaşayan hem kalamar hem de ahtapotlar ile benzerliği olan bir canlıdır. Bu canlının kollarının ucunda ışıldayan yapılar biyolüminesans sonucu olmakta ve sanki bir ahtapot kollarına sahipmiş gibi avcıyı ürkütebilmektedir.
Ayrıca çoğu biyolüminesans canlı daha büyük canlılar ile simbiyotik ilişki içinde bulunmaktadır. Fener balığı (Lophius piscatorius) kafasındaki özelleşmiş çıkıntı içinde bulunan biyolüminesans bakterilerin çıkardığı ışık karşılığında avının dikkatini çeker ve yakalar. Bakteriler de bu sayede yaşamlarına devam etmiş olur. (Fener balığı biyolüminesans yapabilen bir canlı değildir.).
Biyolüminesans mekanizması farklı gruplar arasında çeşitlilik gösterir. Örneğin, bakteriler sürekli yaparken, diğer bazı canlılarda flaşlar halinde (0.1 – 1 s aralığında) gerçekleşir. Yani böyle bir durumun kontrol edilebilmesi için hızlı bir aç-kapa mekanizmasına ihtiyacı vardır, bu mekanizma da enzimler aracılığıyla kontrol edilir.
Bu bilgilerin yanında bir de bazı canlılar tarafından biyolüminesans stres faktörü olarak gerçekleşebilir. Yani okyanusların pH’larındaki değişimler, ani etki-tepki, av-avcı ilişkisi, soğukluk-sıcaklık gibi faktörler sonucu ortaya çıkabilmektedir. Bugüne kadar 75’ten fazla biyolüminesans mantar keşfedilmiştir ve bu mantarların büyük çoğunluğu ılık tropikal iklimlerde bulunmaktadır.
Yakamoz Olayı
Biyolüminesans olayının belki de en ilgi çekçi özelliklerinden biri yakamoz olayıdır. Yakamoz uyarıldığında ışık çıkartan tek hücreli bir canlıdır. Bu canlıların kalabalıklaşıp kıyı boyu ışık yaymasına da yakamoz olayı denir. Biyolüminesans olayına güzel bir örnektir.
Biyoteknolojideki Kullanım Alanları
Özellikle ATP-driven biyolüminesansı (enerji kaynağı ATP) 1970’ten beri yaygın olarak kullanılmaktadır. Mekanizmasının kısmen kolay uygulanabilir oluşu özellikle mikroskobik ölçekte birçok fayda sağlamaktadır. Örneğin, suda, yiyecek ve içecekte, sebze ve meyvede zararlı organizmaların kolaylıkla bulunabilmesini sağlar. Bunun yanında süt fabrikalarında sütün kalitesini artırmak amacıyla içindeki organizmaların incelenmesini sağlar.
Genel olarak herhangi bir örnekteki mikroorganizma sayısının tahmin edilmesi amacıyla kullanılan hızlı ve duyarlı bir teknik olarak tanımlayabiliriz.
Bunun yanında medikal-cerrahi ekipmanların sterilizasyonlarında kullanılmaktadır.
Bu yöntem Biyoteknoloji sayesinde genetik modifikasyonlar ile non-lüminesans bir canlıyı lüminesans yapabilmek mümkün. Bu yöntem sayesinde antibiyotikler daha kolay izlenebilir hale gelmiştir.
Biyolüminesans Çeşitleri
1- Bakteriyel
Lusiferin + Aldehit + Luciferase
2- Dinoflagellate (Dinoflagellates Euphausiid Shrimp)
Lusiferin + Lusiferaz
3- Cypridina (Bazı Ostrocodlar ve bazı balıklar)
Lusiferin + Lusiferaz
4- Coelenterazine (Bazı Ostrocodlar ve bazı balıklar)
Lusiferine + Lusiferaz Fotoprotein
Kısa bir not, Biyolüminesans olayı floresans ve fosforesans olayı ile karıştırılmamalıdır. Floresans moleküller kendi enerjilerini üretmezler. Protonları absorbe ederek ışık üretirler. (Elektronun geçici olarak yüksek enerji düzeyine çıktığı zaman). Reaksiyon çok hızlı gerçekleşir (piko ve mikro saniyelerde). Örnek olarak floresans proteinlerden yeşil floresans proteini (“Green Fluorescent Protein”) (GFP) verilebilir.
Kaynakçalar
1. Rodgerson D.J., Bioluminescence: Characteristics, Adaptations, and Biotechnology, (November 30, 2011), Nova Science Publishers, Inc; UK
2. Kasimi I., Kyles C.W., Pollard J., Trevor A., Vo A.H., Maier T., and, Machida C.A., Bioluminescence And Applications In Destistry, Bioluminescence: Characteristics, Adaptations, and Biotechnology, (November 30, 2011)
3. Liaqat I., Bioluminescence: Characteristics, Adaptations And Biotechnology, Bioluminescence: Characteristics, Adaptations, and Biotechnology, (November 30, 2011)
4. http://genchi.info/sea-images#
5. Zor S., (Temmuz 2013), Yaşayan Biyolojik Işık: Biyolüminesans, http://www.acikbilim.com/2013/07/dosyalar/yasayan-biyolojik-isik-biyoluminesans.html
6. Okatan A., (Ocak 2019), Biyolüminesans: Işık Yayan Canlılar, http://www.bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/biyoluminesans-isik-yayan-canlilar