Une symbiose brillante
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FONCTIONS DE LA BIOLUMINESCENCE
*Communication (par conséquent, l’accouplement)
*Camouflage (pour notre calamar)
Une petite définiton de la bioluminescence
La bioluminescence est la production et l’émission de lumière dite froide (moins de 20 % de cette lumière génère de la chaleur) par certains être vivants. Elle est liée à une fonction organique résultat d’une réaction chimique au cours de laquelle l’énergie chimique est convertie en énergie lumineuse. Le mot à pour origine le terme grec bios signifiant vie et le terme lumen signifiant lumière.
La bioluminescence se distingue ainsi de la fluorescence (une lumière visible est crée lorsque les rayons ultraviolets entre dans un objet mais cette lumière est immédiatement transmise) et de la phosphorescence (qui est un état continu de fluorescence même après que la source d’énergie UV est retirée.
Pourquoi la bactérie utilise t-elle la luminescence?
Les bactéries V. Fisheri utilisent à la base cette faculté pour communiquer entre elles car la bioluminescence est le résultat d'une succession d'échanges de signaux chimiques.
De plus la régulation de luciferase (une enzyme impliquée dans la bioluminescence) a évolué et permet maintenant à cette bactérie de fournir de la lumière. La luminescence fournit un avantage sélectif à la bactérie seulement dans certaines conditions où des hautes densités peuvent être accomplies.
La bioluminescence bacterienne
La production de lumière chez les bactéries, met en jeu la luciférase et la luciférine, qui sont respectivement une enzyme et un substrat. La luciferine est un nom générique pour le co-facteur qui agit avec la luciferase.
Une enzyme est une protéine qui sert de catalyseur facilitant une réaction chimique.
Et le substrat joue un rôle de support qui permet aussi de déclencher une réaction quand il est associé avec son enzyme ,dans le cas des bactérie comme c’est le cas celle-ci s’appelle flavine mono-nucliéique (FMNH2), qui est donc la luciferine.
Les enzymes doivent tout d'abord se lier à leurs substrats avant de pouvoir catalyser toute réaction chimique!
Voici ci-contre le complexe luciferase et luciferine (FMNH2)
La réaction se fait grâce à l’oxydation du FMNH2, également décrit comme lucifériene bacterienne, et donc nécessite de l’oxygène ainsi que d’un aldéhyde gras qui permet la catalyse des deux substrats. Lorsque la FMNH2 est oxydée, des photons sont émis.
La formation des éléments intervenant dans la bioluminescence chez V. fisheri.
La luciférase (l'enzyme) et l’aldéhyde gras (le substrat) sont synthétisées sous l’influence d’une substance auto-inductrice (3-oxo-C6-HSL). Ce 3-oxo-c6-HSL est produit en faible quantité et donc n’atteint pas de concentrations importantes dans l’environnement de la bactéries. Seulement lorsque la densité de bactéries on atteint un seuil critique, sa concentration sera suffisamment élevée pour induire l’expression des gènes, parmi eux l’enzyme luciférase .
NB : il n’y a pas de gène pour l’aldehyde gras, c’est une métabolite !
Quand on atteint un seuil critique de substance auto-inductrice, les gènes sont activées et transcrites.
Le mécanisme où la densité des bactéries dirige l'expression des gènes s'appelle « quorum sensing». c’est le même mécanisme que déclenche la production de composants pour constituer le biofilm dont nous avons parlé dans l’article « une histoire d’amour ».
Un auto-inducteur est une signal moléculaire qui est diffusé aà travers la membrane cellulaire et qui est sécrété dans l'environnement extracellulaire. Ici l'auto-induceur est 3-oxo-c6-HSL.
La détection de molécules de signal comme celle ci par les bactéries agit comme une stimulation qui conduit à l'expression de gènes une fois le seuil minimal atteint.
Qu'est ce qu'un quorum sensing?
C'est un ensemble de signaux émis entre bactéries qui permet de contrôler l'ensemble de l'expression des gènes entre cette population. Dans l’exemple évoqué, le composant auto-inducteur est le 3-oxo-c-HSL (les points rouges)
La figure ci-contre nous montre que la production de lumière est indissociable de l'augmentation du nombre de cellules. Donc met en évidence l'existence du quorum sensing.
En noir : la densité de cellule
En bleu : l'intensité lumineuse par mL d'une culture de cellule.
Comme dit un peu plus haut, le quorum sensing entraîne l'expression de plusieurs gènes qui sont responsables de la bioluminescence.
Quels sont ces gènes et que se passe-t-il après que la densité de cellule soit suffisamment élevé ?
Il existe donc plusieurs gènes impliqués dans la bioluminescence. Ces gènes se trouvent sous la forme d'un opéron dans l'ADN, que l'on appelle l'opéron LuxCDABE.
Comme son nom l'indique, les gènes Lux A, Lux B, Lux C, Lux D et Lux E en font partie. Ils remplissent chacun une fonction différente.
Lux A et B code pour la production de luciférase.
Lux C,D,E pour l'aldéhyde gras.
Un opéron est une section de l'ADN chez les bactéries qui possède plusieurs régions codantes, toutes dépendantes les unes des autres. Il permet la synthèse de plusieurs protéines en même temps, même quantité et à la même vitesse à partir d'un seul ARN messager.
On trouve deux autres gènes ne faisant pas partie de cet opéron mais néanmoins important: Lux R et I qui servent à la régulation de cette opération.
Lux R est une phéromone synthase qui active 3-oxo-C6-HSL et AHL, les substance auto-inductrices et Lux R est la phéromone réceptrice à celle ci, qui active la transcription de l'opéron LuxCDABE.
Maintenant voilà comment cela fonctionne :
Tout d'abord le premier gène à être mis en jeu est Lux I qui active les auto-inducteurs qui vont ensuite se diffuser partout en dehors des cellules. Quand la densité de cellule augmente, le taux de concentration augmente lui aussi.
Lorsque on atteint un taux critique de cette molécule, celle-ci devient capable d'interagir avec la protéine Lux R (codée par le gène du même nom).
Les deux se lient et se fixent sur l'opéron et active la transcription des gènes dans l'ordre si dessus.
Voici en vidéo comment cela se produit :
CONCLUSION :
Le processus de bioluminescence chez V. fisheri se produit seulement quand il y a un nombre élevé de bactéries dans l'organe lumineux grâce au "quorum sensing". Ce mécanisme est ainsi réglé par l'opéron Lux.
Pour conclure, voici une petite vidéo résumant ce que nous venons de dire.
source des images : http://photobiology.info/Lin.html