Fonctionnement de la bioluminescence chez la luciole : explication scientifique pour un TPE

La bioluminescence est un phénomène naturel fascinant où des organismes vivants produisent et émettent de la lumière. Cette lumière est générée par une réaction chimique se produisant à l’intérieur des cellules de l’organisme. Les organismes bioluminescents comprennent une variété d’espèces telles que les bactéries, les champignons, les insectes et les animaux marins.

Qu'est-ce que la bioluminescence et comment la distinguer d'autres phénomènes lumineux ?

La luminescence est le phénomène par lequel certains organismes vivants et matériaux produisent et émettent de la lumière. Ce processus peut se produire par trois différents mécanismes. D’abord, il s’agit de bioluminescence quand un organisme vivant fabrique lui-même de la lumière, puis on parle de fluorescence ou de phosphorescence lorsqu’un matériau brille en absorbant puis relâchant la lumière.

Fluorescence : ce processus se produit lorsqu’une molécule absorbe de la lumière invisible à l’œil nu (généralement ultraviolet) et émet de la lumière sous forme visible presque instantanément après l’absorption. Phosphorescence : contrairement à la fluorescence, la phosphorescence implique un délai entre l’absorption de la lumière et son émission. Ce phénomène se produit lorsque l’énergie absorbée est stockée dans l’organisme ou le matériau pendant une période prolongée avant d’être relâchée sous forme de lumière visible.

Mécanisme général de la bioluminescence

La bioluminescence est un phénomène chimique. Il résulte de la rencontre entre une molécule, la luciférine, et une enzyme, la luciférase. Lorsqu’elles entrent en contact, la luciférine s’oxyde et elle devient électroniquement instable. Lorsque la molécule retourne à son état initial, elle émet un photon qui produit une lumière.

La première réaction se fait entre l’ATP (adénosine triphosphate) et la luciférine, accélérée par la luciférase. L’ATP subit une hydrolyse : des molécules d’eau brisent les liaisons entre les phosphates, ce qui libère de l’énergie et du pyrophosphate PP. La deuxième réaction se fait avec le dioxygène : c’est une oxydation du complexe. En retournant à son état stable, la luciférine émet un photon qui produit une lumière dans les spectres du bleu et du vert généralement.

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La luciférine veut se combiner avec l’oxygène en utilisant l’énergie de l’ATP comme un propulseur et l’enzyme luciférase comme un accélérateur de la réaction. La luciférine et l’oxygène associés formeront ce qu’on appelle une oxydation. L’oxydation provoque l’excitation de la luciférine, un peu comme si la luciférine était chargée en énergie. Cette excitation est instable; la luciférine ne pourra retrouver son état stable qu’en libérant son excitation sous forme d’un photon, les petites particules qui composent la lumière.

Étapes détaillées chez les lucioles et vers-luisants

Chez le ver luisant et la luciole, l’oxydation est précédée d’une activation par l’ATP (molécule transportant de l’énergie). La première réaction catalysée par la luciférase est l’activation de la luciférine avec formation de luciféryl adénylate liée à l’enzyme. La deuxième réaction correspond à l’oxydation de la luciférine en oxyluciférine. C’est cette oxyluciférine qui va émettre de la lumière.

Dans une réaction de bioluminescence de luciole, une enzyme connue sous le nom de luciférase utilise l'adénosine triphosphate (ATP) pour activer une molécule appelée luciférine. Le produit de cette réaction se combine avec l'oxygène moléculaire pour produire une espèce d'oxyluciférine à l'état excité. Lorsque l'oxyluciférine revient à son état fondamental, l'énergie est libérée sous forme de lumière.

Lorsqu’une particule est excitée, elle est à un état instable dans lequel elle ne peut rester. ΔE=hv (h la constante de Planck et v la fréquence, qui dépend de la longueur d’onde). En retournant à son état stable, la luciférine émet un photon qui produit la lumière observée. Au moment où la luciférine et la luciférase se séparent, on observe l’émission d’une molécule de CO2. L’enzyme et la molécule peuvent alors à nouveau se rencontrer…et produire de la lumière.

À l'intérieur du peroxysome, des réactions bioluminescentes se produisent à l'aide de la luciférase, une enzyme dotée de petits trous personnalisés (appelés « sites de liaison ») pour la luciférine et l'ATP. Une molécule de l'oxygène libéré se combine alors avec le complexe pour former l'oxyluciférine, une molécule « excitée » désireuse de libérer une bouffée d'énergie. Lorsqu'il le fait, il le libère sous la forme d'un photon - un paquet de lumière - créant la lueur jaune-vert caractéristique.

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Il y a ensuite une réaction entre le dioxygène et l'ion Mg2+ : formation d'ion superoxyde O2-. Nous avons confirmé les notions généralement admises selon lesquelles l'étape d'oxydation est initiée par la formation d'un carbanion intermédiaire et qu'un hydroperoxyde (anion) est impliqué. Ici, nous rapportons des preuves spectroscopiques convaincantes clés de la participation de l'anion superoxyde dans une réaction de modèle chimique connexe qui prend en charge une seule voie de transfert d'électrons pour le processus oxydatif critique.

Couleur et rendement : pourquoi bleu-vert ?

L'oxydation de la luciférine produit de l'oxyluciférine instable qui retourne à son état plus stable en émettant un photon par fluorescence dont la longueur d'onde varie de 440 à 560 nanomètres, correspondant aux couleurs bleu et vert. C’est pour cela que les organismes bioluminescents sont de couleurs bleu-vert et n’émettent pas de couleurs « chaudes » oranges ou rouges.

Le photon émis possède une énergie correspondant à une longueur d’onde d’environ 560 nm, ce qui correspond au jaune/vert (pour les lucioles). Chez les lampyres, les rendements sont excellents, avoisinant les 90%, ainsi la lumière est dite froide. Parce que ces analogues présentent des propriétés photochimiques similaires à leurs homologues naturels (appelés luminophores), ils émettent généralement une lumière de couleur bleu ou vert, alors que le jaune ou le rouge restent rares.

Contrôle physiologique du signal lumineux chez la luciole

La stratégie : la fonction romantique du flash est connue depuis longtemps. Ce qui a été découvert plus récemment est une compréhension claire de la façon dont cela se produit. Les insectes n'ont pas de poumons comme les humains, mais transportent l'oxygène dans leur corps à travers des tubes appelés trachéoles. L'oxygène traverse les trachéoles et pénètre dans les photocytes, où il se lie aux mitochondries. Normalement, les mitochondries utiliseraient l'oxygène pour libérer de l'énergie pour les processus cellulaires réguliers. Mais quand il est temps de briller, les lucioles envoient de l'oxyde nitrique pour se lier aux mitochondries à la place, libérant l'oxygène pour alimenter le spectacle de lumière sur le point de commencer.

L’autre est la précision avec laquelle les adultes contrôlent ces organes (surnommés lanternes) ; ils parviennent par exemple à les faire clignoter selon des motifs semblables à ceux de l’alphabet Morse lorsqu’un partenaire attirant se trouve dans les parages. Chaque espèce a un rythme propre caractérisé par la durée du signal lumineux et par le temps entre deux signaux.

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Diversité des organismes bioluminescents et fonctions écologiques

Sur notre planète, de nombreux organismes unicellulaires (bactéries, algues…) ainsi que des animaux et même des champignons sont bioluminescents. Cette bioluminescence est la plus fréquente dans les profondeurs océaniques. Dans les abysses, la lumière solaire ne pénètre jamais, ce qui rend le milieu totalement obscur. La communication entre individus ou les pièges par bioluminescence sont donc monnaie courante.

Les organismes bioluminescents comprennent une variété d’espèces telles que les bactéries, les champignons, les insectes et les animaux marins. On retrouve des organismes bioluminescents chez les insectes, mollusques, céphalopodes (famille des pieuvres et calmars), poissons, champignons, mais pour la plupart, les espèces bioluminescentes appartiennent au monde des bactéries.

• Les lucioles : ces insectes sont probablement les organismes bioluminescents les plus connus. Ils produisent de la lumière pour attirer leurs partenaires lors de la reproduction. Chez plusieurs espèces, le mâle émet des clignotements lumineux en vol et est attiré par la réponse lumineuse de la femelle immobile.
• Les dinoflagellés : ces micro-organismes marins produisent de la lumière lorsqu’ils sont perturbés comme signal d’alarme pour les prédateurs.
• Les méduses : certaines méduses, comme Aequorea victoria, produisent une lumière verte grâce à une protéine fluorescente verte (GFP), différente des protéines de bioluminescence classiques.
• Les champignons : environ 80 espèces de champignons produisent de la lumière, attirant des insectes qui dispersent leurs spores.
• Les poissons : il existe 320 espèces de poissons-lanternes, comme les baudroies, qui utilisent un leurre luminescent pour attirer des proies.

La bioluminescence peut être utilisée pour se camoufler : en effet, les poissons et autres animaux marins utilisent leur bioluminescence pour être moins visibles des prédateurs situés en dessous d’eux : ils sont ainsi lumineux et se détachent moins de la surface claire au-dessus d’eux. Et aussi pour repousser des prédateurs. En effet, la projection de liquide luminescent peut perturber un prédateur lors d’une attaque, ce qui facilite la fuite de la proie.

Aspects évolutifs et génétiques

Le couple luciférine (substrat) et luciférase (enzyme) se retrouve donc chez tous les organismes bioluminescents. Il s’agit d’un exemple de convergence évolutive. La convergence évolutive est le mécanisme évolutif conduisant des espèces soumises aux mêmes contraintes environnementales (ici l’obscurité), à adopter indépendamment plusieurs traits physiologiques, morphologiques semblables (ici produire de la lumière).

Dans le cadre d’une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Communications, Xinhua Fu et son co-auteur Xinlei Zhu ont décodé le génome de la luciole aquatique (Aquatica leii). Ce faisant, leurs recherches se sont portées vers deux gènes clés responsables de la formation, de l’activation et du positionnement de l’organe luminescent de cette luciole : Alabd-B et AlUnc-4. Selon Xinhua Fu, grâce à cette découverte, les scientifiques pourraient enfin comprendre comment ces coléoptères ont pu évoluer de sorte à acquérir la capacité à briller de mille feux.

Lors de leur récente expérience, Xinhua Fu et Xinlei Zhu ont commencé à modifier le génome de ces insectes afin de voir quels effets produisaient l’inhibition ou l’élimination de certains gènes. Ils ont découvert que durant la pupaison, les gènes Alabd-B et AlUnc-4 de la luciole s’activent, ce qui a pour effet de déclencher le développement de la lanterne adulte à l’endroit prévu dans l’abdomen.

Applications et limites technologiques

Au cours de leurs travaux, les chercheurs ont en fait prélevé des enzymes brillantes appelées « luciférine » présentes chez la luciole ou dans d’autres bactéries et étant à l’origine du processus de luminescence. A l’aide d’un logiciel, le « Genome Computer », ils ont ainsi pu séquencer l’ADN des gènes responsables de la production de ces enzymes. Puis les gènes obtenus ont été plongés dans un liquide bactérien capable de transférer à la plante ces propriétés luminescentes.

Cependant, la lumière produite par les organismes bioluminescents est trop faible pour éclairer nos rues ou nos maisons. Plusieurs projets ont déjà vu le jour, notamment Glowing Plants aux États-Unis dont l’objectif est de transmettre à une plante, via une bactérie, la capacité de la luciole à briller. Mais après plusieurs années d’études et de tentatives, l’essai n’a pas été concluant.

En France, la start-up française Glowee est quant à elle parvenue à créer une lumière liquide, là encore en utilisant des bactéries. Si la lumière produite est encore trop faible pour être utilisée dans les lampadaires de nos villes, Glowee a déjà mis sur le marché des éclairages intérieurs. Et l’entreprise a signé un partenariat avec la ville de Rambouillet, devenue « laboratoire grandeur nature de la bioluminescence ».

Le potentiel : étant donné que les lucioles produisent de la lumière sans excès de chaleur, imiter leurs méthodes peut aider à ouvrir la voie au développement de sources de lumière artificielle plus économes en énergie. La conception d'émetteurs de lumière bio-inspirés nécessite une meilleure compréhension des facteurs responsables au niveau moléculaire de la modulation de la couleur émise.

Le ver luisant : observation, fonctions et menaces

Le ver luisant est un insecte de l’ordre des coléoptères qui se caractérise par la production de lumière ou bioluminescence. On peut l’observer dans toute la France métropolitaine. Il existe, en France métropolitaine, onze espèces de Lampyridae, dont dix espèces de vers luisants dont l’une des plus communes est Lampyris noctiluca.

Chez le ver luisant, la bioluminescence est utilisée pour la reproduction : la femelle attire le mâle grâce à son abdomen lumineux. Afin d’être bien visible, la femelle grimpe et expose au mieux ses organes lumineux. En plus de la lumière, la femelle émet également des phéromones sexuels qui favorise l’accouplement.

Le ver luisant présente un fort dimorphisme sexuel : mâle et femelle sont très différents : le mâle est au moins deux fois plus petit que la femelle, il possède des ailes et peut voler au contraire de la femelle, il a des yeux hyper développés pour pouvoir localiser la lumière de la femelle, et la femelle émet beaucoup de lumière au niveau de son abdomen (le mâle pas ou peu).

Menaces sur le ver luisant : le ver luisant auparavant commun dans de nombreuses campagnes est devenu de plus en plus rare, ceci à cause de nombreux facteurs. En premier lieu, la pollution lumineuse qui gêne ou empêche la reproduction des vers luisants. Les mâles sont attirés par les lumières artificielles des lampadaires ou des maisons. Ils ne trouvent pas de femelle, l’accouplement n’a donc pas lieu. En second lieu, la destruction de leurs habitats et les changements d’utilisation des terres entraînent la fermeture des milieux, ce qui est également responsable de la disparition des vers luisants. Enfin, les traitements anti-limace et escargots dans de nombreux jardins détruisent les proies de larves de vers luisants.

Il existe un site internet où noter ses observations de vers luisant : l’OVL (Observatoire de Vers luisants et Lucioles). Ce site existe depuis 2015 et il permet de mieux connaître la répartition de cette espèce ainsi que les menaces qui pèsent sur lui.

Schémas, figures et visualisations

Pour mieux visualiser les organes luminescents et les réactions chimiques, voir les figures suivantes :

Figure : Vue des organes bioluminescents du ver luisant femelle - 3 segments abdominaux ventralement lumineux, le dernier segment présentant seulement deux points lumineux.

Figure : Schéma des réactions chimiques permettant la bioluminescence chez le vers luisant.

Figure : Les dinoflagellés produisent de la lumière lorsqu’ils sont perturbés, c’est un signal d’alarme pour les prédateurs.

Perspectives de recherche

Le projet BIOLUM vise à combiner des recherches fondamentales de pointe, aussi bien théoriques qu'expérimentales, pour évaluer l'importance de deux facteurs impliqués majoritairement dans la modulation de la couleur émise: 1) la structure du luminophore et ses interactions avec la protéine, 2) le pH. C'est en croisant les informations obtenues lors de l'étude de la luciférine native ou modifiée présente dans l'enzyme luciférase que nous obtiendrons une meilleure compréhension des mécanismes à l'œuvre dans la modulation de la couleur émise.

L'accent sera notamment mis sur : 1) la caractérisation des structures de luciférines natives ou modifiées dans la cavité de la luciférase, 2) la détermination des étapes photochimiques pertinentes menant à l'émission de lumière, 3) l'étude des transferts de protons importants entre l'oxyluciférine et divers donneurs et accepteurs et 4) la détermination des acides aminés de la protéine qui sont cruciaux dans le contrôle de la couleur émise.

Cette caractérisation est nécessaire au développement de techniques analytiques très sensibles utilisant la bioluminescence dans des domaines que les sciences de l'environnement, les sciences médicales, l'analyse des aliments pour n'en citer que quelques-uns.

Tableau récapitulatif : espèces et fonctions de la bioluminescence

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