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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

 

Bioluminescence des lucioles : une question clé enfin résolue !

 

Des chercheurs du Laboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman de Villeneuve d’Ascq ont réalisé une avancée importante dans le décryptage de la bioluminescence des lucioles en isolant pour la première fois les différentes formes moléculaires impliquées dans ce processus et en décrivant leur spectre d’absorption. Ces travaux sont parus en ligne dans la revue Chemical Science en mai 2013 et ouvrent le chemin à une compréhension complète de ce phénomène encore mal cerné, ainsi qu’au développement de nouvelles sondes pour l’imagerie biomédicale.

 

Il est coutume au Japon pendant les soirées d’été d’admirer avec émerveillement la danse de petites « boules de lumière », les lucioles. Comme d’autres organismes vivants, les lucioles sont des insectes qui possèdent la faculté d’émettre de la lumière visible par le biais d’une réaction chimique. C’est ce que l’on appelle la bioluminescence. Cette émission est générée par l’action d’une enzyme, la luciférase sur une molécule, la luciférine, en présence d’oxygène et d’ATP (adénosine-5’-triphosphate) pour former l’oxyluciférine avec un excès d’énergie qui se dissipe en émettant de la lumière. La bioluminescence des lucioles, dont le rendement quantique de luminescence (nombre de photon émis par réaction chimique) est le plus important parmi les organismes vivants, est utilisée dans de nombreuses applications en biochimie et dans le domaine biomédical. On peut citer le dosage de l’ATP, molécule qui fournit l'énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme. La lumière émise par les lucioles, qui peut couvrir tout le domaine du spectre visible,  dépend de l’environnement chimique direct autour de l’oxyluciférine : pH, polarité, ions complexant, interaction avec la luciférase… Malgré le caractère spectaculaire du phénomène de bioluminescence, et en dépit de nombreuses études déjà menées, on explique aujourd’hui encore difficilement ses origines précises. Le problème réside dans la méconnaissance et la complexité de la molécule d’oxyluciférine qui peut exister sous 6 formes différentes (deux groupements acido-basiques et un groupement céto-énolique) en fonction de l’environnement chimique.

Dans le cadre d’un projet international Young Investigator Grants du Human Frontier Science Program (HFSP), les spectres d’absorption et la population de chacune des six formes possibles en fonction du pH ont pu, pour la première fois, être caractérisés. Au-delà de l’avancée vers une compréhension complète de la bioluminescence des lucioles, ces travaux ouvrent la voie  au développement de nouvelles sondes à base de l’oxyluciférine pour l’imagerie biomédicale.

 

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© Michel Sliwa

 

 

L’idée originale développée par les chercheurs a été de synthétiser des molécules modèles de l’oxyluciférine pour lesquelles un groupement ou un équilibre pouvait être bloqué. Une deuxième étape a consisté à suivre l’évolution des spectres d’absorbance en fonction du pH pour ces molécules modèles et pour l’oxyluciférine. La similitude des spectres observés rendant impossible la caractérisation directe des six espèces en mélange, une analyse globale des données recueillies dans les différentes  expériences a été effectuée. Cette approche multi-expérience a permis d’extraire pour la première fois la contribution de chacune des espèces complétant et parfois infirmant les résultats disponibles dans la littérature qui se basaient essentiellement sur des raisonnements qualitatifs. Ces résultats remettent en cause certaines interprétations proposées pour décrire le mécanisme global de la bioluminescence et pourraient à terme permettre la conception de nouvelles sondes à base d’oxyluciférine pour des applications en biochimie.

 

Référence

Mateusz Rebarz, Boris-Marko Kukovec, Oleg V. Maltsev, Cyril Ruckebusch, Lukas Hintermann, Pance Naumov and Michel Sliwa   
Deciphering the Protonation and Tautomeric Equilibria of Firefly Oxyluciferin by Molecular Engineering and Multivariate Curve Resolution
Chemical Science 28 Mai 2013, DOI: 10.1039/C3SC50715G

 

Contact chercheur 

 Michel Sliwa, Laboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman – Villeneuve d’Ascq
Courriel : michel.sliwa@univ-lille1.fr
Tél : 03 20 33 63 53

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

2 juillet 2013

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