II- La Bioluminescence

le     Le monde animal et végétal admet de multiples espèces lumineuses; des bactéries, des champignons et des animaux très divers ont la faculté d'émettre de la lumière. Cette manifestation d'être vivants, dans l'obscurité de la nuit ou des profondeurs marines, est particulièrement étrange et fascinante.
Ce phénomène que l'on 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 rôle comportemental des émissions lumineuses reste souvent hypothétique ou énigmatique.

   Comment et pourquoi certains êtres vivants peuvent-ils émettre de la lumière et comment peut-on l'utiliser ?

 

Réaction de bioluminescence

 

   C'est le physiologiste français Raphael Dubois qui, en 1887, découvre que le phénomène de bioluminescence est du à l'oxydation d'une substance cellulaire qu'il appelle luciférine, ce nom n'a cependant aucune signification chimique car il existe une grande diversité de molécules substrats. Ce type de réaction nécessite la présence d'une enzyme que Raphael Dubois appelle la luciférase Puis l'américain W.D.McElroy découvre que la réaction de bioluminescence ne peut se faire uniquement en présence d'adénosine triphosphate appelé plus simplement ATP, qui est un transporteur d'énergie dans tous les organismes vivants, et d'ions magnésium Mg2+. On ignore cependant comment ces composés sont synthétisés par les animaux. Pour illustrer ce phénomène, nous allons étudier le cas de la luciole.

Cette réaction est une réaction enzymatique, c'est à dire qu'elle entraine une réaction 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. c'est aussi à cet instant que le PPi (pyrophosphate) est produit.

Réaction de bioluminescence

 

  •    L'oxygène va oxyder ce complexe et donne de l'oxyluciférine qui va libérer de l'AMP (adénosine monophosphate)
  •    Ce complexe est alors dans un état électronique excité et produit un photon, donc de la lumière

Réaction de bioluminescence

Molécule

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 dorsale lorsqu'il y a un danger (Photo A). Un petit crustacé, l'oplophorus (Photo B), éjecte dans l'eau de la luciférine et de la luciférase qui réagissent en formant un nuage de lumière dans l'eau pour faire diversion

Poisson-Lanterne et Oplophorus

  - La bioluminescence permet aussi à certains poissons de se camoufler. ils possèdent des photophores ventraux donc si le prédateur est sous la proie, il le confond avec la lumière du ciel.

  • L'attraction des proies

- Certains poissons possèdent une partie de leur corps lumineuse pour attirer leurs proies Comme les poissons pêcheurs, les melanocetus johnsonii.

Melanocetus Johnsonii

- En Nouvelle-Zélandes, dans les grottes de Waitomo, des larves de moustiquesdéveloppent des fils lumineux déstinés à capturer les insectes volants.

Grottes de Waitomo

  • La communication

- Des mâles lucioles secrètent des petits amas de lumière pour séduire les femelles.

 

Applications de la bioluminescence

 

  • L'ATPmétrie

L'ATPmétrie est une technique permétant de mesurer la quantité d'ATP présente dans un échantillon. Comme on l'a vu précédamment, l'ATP est présente dans tous les organismes vivants, on peut donc détecter des traces de bactéries dans un produit. Ce procédé est utilisé dans de nombreux domaines. L'intensité de la lumière émise lors du test est donc quantativement lié à la masse de bactéries présentes dans l'échantillon.

      1. Domaine Environnemental

   Le traitement des eaux : La protection de l’environnement dépend en partie du bon fonctionnement des stations d’épuration biologiques. Celles-ci sont chargées en boues, constituées d’êtres vivants en perpétuelle évolution que l'on appelle la biomasse. La productivité des stations est directement liée à l’état physiologique de la biomasse. On cherche à contrôler l’activité de cette biomasse bactérienne dans la boue. Dans ce cas là la biochimie à un rôle très important car elle utilise des méthodes qui permettent la capacité de former des amas plus dense que l’eau, Ce qui permet une décantation des boues par gravité. Le traitement biologique est particulièrement étudié car, grâce à des temps de séjour très courts, il permet d’importantes économies sur la taille des bassins des stations.

      2. Domaine médical

   La bioluminescence peut aussi être utilisé dans les diagnostics médicaux, il est en effet parfois nécessaire de connaitre rapidement de taux de contamination d'un liquide corporel. Mais d'autres applications de la bioluminescence dans ce domaine peuvent aussi être observées :

- Maladies hépatiques : On peut détecter ces maladies car le taux d'ATP baisse dans les hématies.

- Dermatologie : L'ATP s'utilise pour voir à quelle vitesse se renouvelent les cellules de la peau.

- Infections urinaires : Certains malades atteints d'infections urinaires présentent un taux de bactéries croissant dans les urines, le taux d'ATP 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 injectables à des humains ou des animaux.

      3. Domaine Agro-ALimentaire

    C'est le domaine le plus étudié actuellement. On peut, grâce à l'ATPmétrie, détecter la contaminations des produits tels que le lait ou les juts de fruits.

- Le Lait : L'ATPmétrie est utilisé pour détecter des cellules somatiques, car la présence de ces cellules indique une mamite, qui est une inféction du pis de la vache. Le lait ne contient pourtant pas forcément beaucoup de bactéries.

- Les Ovoproduits : Tous les produits dérivés des oeufs ne doivent pas contenir plus de 104 bactéries par grammes l'ATPmétrie permet donc de faire des tests pour voir si ces produits sont aux normes.

- Les Boissons aux fruits : La fabrication de jus de fruts nésessite une production très stérile. mais les traitements actuels ne sont pas totalement fiables et prennent beaucoup de temps contrairement à ATPmétrie.

- Les Viandes : Pour les industreiels, il est important de prévoir la date limmite de consommation de leur viandes et pour localiser les foyers de contamination pour lutter efficacement contre la dissémination de ces bactéries.

- Les Levains : Le dosage de l'ATP est la méthode la plus rapide et la plus simple pour évaluer la viabilité des levains microbiens et concernent les domaines tels que la laitrie, la brasserie et la vinification.

    Mais l'ATPmétrie peut aussi bien être utilisé dans des tests de toxicité, dans le contrôle de dégradation des produits textiles par des agents microbiens, dans la stérilité des produits cosmétiques, dans des armes bactériologiques ... toujours selon le même principe.

 

  • Appareils et techniques de mesure : le luminomètre

Le luminomètre est le moyen le plus sensible et le plus pratique pour quantifier l'intensité de lumière dégagé par le réaction de bioluminescence. Cet appareil possède une chambre à échantillons qui doit être isolé de la lumière ambiante pour éviter les interférences, puis l'appareil "compte" les photons dégagés par la réaction. Enfin, il envoi les informations sur un programme spécial permettant de lire les résultats.

Luminomètre

  • L'Imagerie par Bioluminescence

   La bioluminescence est étudiée en ce moment sur les cellues cancéreuses. Lors de ces expériances, la luciférase est utilisé comme gène marqeur. En effet, la dissémination des cellules cancéreuses est la cause majeure de mortalité chez les personnes atteintes du cancer : des cellules se détachent de la tumeur primaire et se déplace dans les vaisseaux sanguins pour aller se placer dans d'autres parties du corps. Un cancer disséminé est plus résistant aux thérapies, la bioluminescence permet alors de situer ces cellules cancéreuses. Cette technique est appellée l'imagerie par bioluminescence (IB)

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