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 ET LA LUMIERE FUT...

L'énergie chimique extraite des molécules organiques par les êtres vivants sert à de multiples fonctions. Elle est transformée en énergie thermique (permettant de maintenir constante la température du corps chez les oiseaux et les mammifères), en énergie mécanique (déplacement), en énergie électrique (chez certains poissons elle permet de détecter des proies ou de communiquer), voire en énergie lumineuse. Cette dernière propriété est plus répandue qu'on ne le pense en général puisqu'elle existe chez plusieurs centaines d'espèces vivantes aussi diverses que des bactéries, des champignons et des animaux. La lumière produite par les être vivants présente l'inhabituelle caractéristique d'être froide comme a pu l'expérimenter quiconque a déjà tenu une luciole dans sa main. Pour l'Homme qui connaît essentiellement des sources de lumière chaudes (soleil, feu, et plus récemment, ampoules électriques) cette curiosité a toujours été un sujet d'étonnement. Au moyen âge, on pensait que cette lumière était produite par les esprits des morts et les vers luisants provoquaient le respect si ce n'est la terreur. A notre époque où la biologie est désormais moléculaire, les mécanismes de la bioluminescence ont été explorés de façon approfondie et sont maintenant assez bien connus même si leur "utilité" biologique n'est pas toujours claire et si leur évolution reste souvent incomprise. Ils sont même devenus un outil de choix dans divers domaines biotechnologiques.

Dés 1647 un livre consacré à cette question fut publié. Ecrit par un hollandais, T.Bartholinus (1625-1698), il s'intitulait De Luce Animalium car la langue scientifique n'était pas encore l'anglais mais le latin. Toutefois, le savoir de l'époque n'était pas en mesure de donner une explication du phénomène. Les premières expériences scientifiques sur cette question sont dues à R.Boyle (1627-1691), chimiste anglais, membre du "collège invisible", sorte d'association axée sur l'expérimentation scientifique à l'origine de la Royal Society britannique. Grâce à la construction d'une pompe à air avec R.Hooke (1635-1702), alors élève à Oxford, qu'il avait remarqué et recruté comme assistant et qui fut l'un des premiers microscopistes, il démontra que la bioluminescence ne pouvait avoir lieu en absence d'air. Il pensait que quelque chose dans l'air devait être indispensable pour cette réaction mais ne put démontrer que l'air était un mélange de différents gaz. C'est un autre anglais, J. Priestley (1733-1804) qui découvrit "l'air déphlogistiqué" en 1774, c'est à dire l'oxygène.

Les premiers résultats tangibles sur les mécanismes de la bioluminescence sont beaucoup plus tardifs : c'est un biologiste de Lyon, Raphaël Dubois qui montra que la bioluminescence pouvait être obtenue en tube à essai. S'étant fait envoyer des vers luisants de la Jamaïque, il préleva leur lanterne (l'organe lumineux) et aprés broyage dans un mortier avec de l'eau observa que le mélange extrait était lumineux à condition que le milieu contienne de l'oxygène. La luminescence ainsi obtenue a une belle couleur verte, on dirait maintenant vert "fluo", et elle se maintient deux minutes. Lorsqu'il recommença la même expérience en essayant d'extraire les produits luminescents par l'eau bouillante, la bioluminescence n'apparut pas, comme si l'eau bouillante avait détruit les substances responsables. Pourtant, ayant eu la bonne idée de mélanger de l'extrait fait avec l'eau bouillante avec de l'extrait fait à froid mais dont la luminescence était épuisée, il constata alors que la luminescence réapparaissait. Connaissant la sensibilité des enzymes à la chaleur, il en déduisit que la réaction de bioluminescence est due à une enzyme, la luciférase, agissant sur un substrat, la luciférine, en présence d'oxygène. Bien que ce schéma de base n'ait pas été remis fondamentalement en cause depuis le mémoire de Dubois en 1887, de nombreuses précisions y ont été ajoutées depuis. Si le principe reste valable chez de nombreuses espèces, mais pas toutes, les substances chimiques, luciférase et luciférine diffèrent largement selon les espèces. De plus, la réaction chimique en cause est complexe : c'est un américain, W.D. McElroy, qui démontra après la guerre que la réaction, chez les lucioles, nécessitait, en plus des produits déjà connus, deux cofacteurs supplémentaires, l'ATP (Acide adénosine triphosphorique), molécule impliquée dans les échanges énergétiques, et une substance minérale, le magnésium. La nécessité de l'ATP fit croire que cette molécule était la source énergétique à l'origine de l'émission d'énergie lumineuse comme elle est à la source de la plupart des dépenses énergétiques des cellules.

En réalité, il n'en est rien. Dans la réaction entre la luciférine et la luciférase, l'ATP sert à activer le substrat de manière à ce qu'il puisse réagir avec l'enzyme, mais il n'apporte pas d'énergie. Quant au magnésium, sa liaison avec l'ATP rend ce dernier utilisable. Dans la bioluminescence, l'énergie est apportée par une catégorie de réactions chimiques, les oxydoréductions, catégorie à laquelle appartiennent la plupart des réactions permettant la mobilisation de l'énergie chimique au sein des cellules vivantes.

Pour comprendre le mécanisme de la bioluminescence, il faut connaître le principe de la luminescence, c'est à dire de l'émission de lumière qui n'est pas due à la chaleur. Schématiquement, lorsqu'un atome est soumis à un rayonnement, l'énergie qu'il absorbe le porte à un état dit excité dans lequel un électron est déplacé de son orbite habituelle autour du noyau vers une orbite plus éloignée. L'électron ne reste pas ainsi et revient spontanément à son état précédent en émettant à son tour un rayonnement d'une énergie inférieure à celle qu'il a absorbée : c'est la désexcitation. Lorsque le rayonnement de désexcitation est de la lumière visible, il s'agit de luminescence. Dans la bioluminescence, la molécule excitable, la luciférine, n'a pas besoin d'absorber un rayonnement lumineux. C'est l'énergie libérée par la réaction d'oxydoréduction qui sert à porter la luciférine à un état excité et la désexcitation produit le rayonnement lumineux. Comme dans les autres transformations énergétiques qui existent chez les êtres vivants, l'énergie chimique libérée par une réaction est transformée directement en une autre forme d'énergie, ici lumineuse, sans avoir à passer par un intermédiaire thermique. (Dans une ampoule électrique, le passage du courant produit la chaleur qui provoque l'excitation des atomes. L'émission lumineuse est donc indirecte et une grande partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur).

La bioluminescence est maintenant devenue un outil de choix dans divers domaines biotechnologiques. La nécessité de l'ATP dans le système luminescent des lucioles a permis de développer une technique très sensible de microdosage de cette molécule par la mesure de la lumière émise. Par clonage du gène responsable de la bioluminescence chez certaines bactéries, on a obtenu des souches bactériennes qui deviennent luminescentes en présence d'un composé chimique toxique et sont utilisées pour détecter ce composé dans l'environnement ou dans la nourriture. Le clonage du gène et son insertion dans l'ADN d'un autre organisme permet aussi de l'utiliser comme "rapporteur" s'il ne s'exprime qu'en même temps qu'un autre gène dont le produit n'est pas détectable simplement. Ce type de technologie (dite des rapporteurs bioluminescents) est appelée à se développer dans un futur proche.



EXPERIENCE

OBSERVER LA BIOLUMINESCENCE

Comme il n'est pas aisé de se procurer des lucioles et qu'il n'est pas non plus indiqué de dépouiller notre environnement des animaux qui le peuplent, nous réaliserons la réaction de bioluminescence in vitro, ce qui sera encore plus spectaculaire. On peut se procurer les produits nécessaires chez SIGMA :

Extrait de lanterne de luciole Référence SIGMA : FLE-50
ATP Référence SIGMA : FF-ATP
NB SIGMA ne fournit que les laboratoires et non les particuliers.

Le flacon d'extrait permettant 3 démonstrations, il faudra se procurer 3 flacons d'ATP. Ceci met l'ensemble à un prix d'environ 70 F par expérience mais il est possible d'acheter des kits permettant d'effectuer de 3 à 15 démonstrations ce qui diminue le prix unitaire.

Le protocole est des plus simples : il suffit de dissoudre les produits lyophilisés dans l'eau (5 mL pour l'extrait, 1 mL pour l'ATP) puis de verser avec un compte-gouttes ou une seringue le tiers du volume d'extrait dans un flacon d'ATP. Si on a pris soin de faire l'obscurité dans la pièce et d'attendre quelques minutes que l'œil y soit habitué, le mélange des produits déclenche tout de suite une belle luminescence verte qui persiste plusieurs minutes.

NB L'extrait de lanterne contient de l'arsenic et ne doit en aucun cas être touché avec les doigts et encore moins être mis au contact de la bouche.

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