Utilisations de la bioluminescence de la luciole par les chercheurs

A quoi sert la bioluminescence pour les chercheurs ?

I. Introduction :

   Le système bioluminescent le plus anciennement étudié et l'un des mieux connus est celui mis en jeu par les coléoptères:les lucioles.La bioluminescence, émission de lumière froide par des êtres vivants, fait partie de ces phénomènes biologiques qui suscitent une foule de travaux de recherches fondamentale et appliquée et ouvrent la voie à diverses applications pédagogiques.En provoquant l’étonnement par son caractère spectaculaire et esthétique elle contribue à stimuler la curiosité et le désir de comprendre.

   Les applications de la bioluminescence développées pour la biochimie, la biologie moléculaire et les biotechnologies (dosage de divers métabolites, gènes rapporteurs, sondes marquées, détection de contaminations bactériennes etc.) constituent des outils puissants de plus en plus utilisés dans les laboratoires de recherche et dans l’industrie en particulier pour éviter le recours aux marqueurs radioactifs. Ainsi, l’utilisation de la luminescence du mélange luciférine - luciférase de la luciole permet non seulement la détection et le dosage de l’ATP mais aussi le suivi de diverses réactions enzymatiques impliquant l’ATP.

   L'Anglais Robert Boyle montra que la bioluminescence ne pouvait avoir lieu en l'absence d'air ce qui lui fit soupçonner la présence dans l'air d'une substance que son compatriote Priestley devait identifier plus tard comme l'oxygène. Mais, ce furent les travaux expérimentaux du Français Raphaël Dubois à la fin du siècle dernier qui posèrent les fondements de la connaissance scientifique de ce phénomène. Depuis, les informations sur les mécanismes et les fonctions de la bioluminescence se sont considérablement enrichies.

II. Voici quelques exemples concrets de l'utilisation de la bioluminescence des lucioles :

• COCA-COLA

Une vérification plus rapide grâce à la bioluminescence

La compagnie Coca-Cola utilise des substances extraites des lucioles pour détecter une éventuelle contamination bactérienne des sirops utilisés pour fabriquer leurs boissons gazeuses. Si le sirop est contaminé, il émet alors de la lumière lorsqu'on y ajoute ces substances. Le test est facile à mettre en œuvre et le résultat est immédiat. Avant, il fallait se livrer à des cultures bactériennes qui pouvaient prendre plusieurs jours.

• PARASITE LEISHMANIA

Des infectiologues ont recours à un gène de bioluminescence pour mieux étudier ce parasite qui infecte 15 millions de personnes

    La leishmaniose sévit de nombreux pays tropicaux et subtropicaux comme l'Inde,la Chine du Nord, la Mandchourie, le Soudan égyptien.. Elle est due à la leishmania qui est un protozoaire parasite de la famille des trypanosomatidae responsable de la leishmaniose cutanée chez l'homme.
Il est transmis par un petit moustique, le phlébotome.Le phlébotome lors d’une piqûre se glisse et se déplace sous la peau et forme des pustules. Ce protozoaire s'attaque aussi aux cellules du système immunitaire, tout comme le virus du sida, et il peut s'avérer mortel.

    Une équipe de la Faculté de médecine a trouvé une façon brillante d'étudier la multiplication de ce parasite microscopique. Les chercheurs ont intégré, à son génome, le gène responsable de la luminescence chez la luciole. Il s’agit du gène de la luciole ajouté à Leishmania qui permet la production de l'enzyme appelée luciférase. Celle-ci favorise la réaction chimique entre la protéine luciférine et l'oxygène, et c'est ce qui libère des photons, sources de cette lumière qui illumine l'organisme. Grâce à cette technique, ils peuvent maintenant estimer dix fois plus rapidement, et avec plus de précision, le nombre de parasites dans un échantillon de cellules humaines: leur abondance est directement proportionnelle à l'intensité de lumière qu'ils émettent.

•  Le CANCER
  
  

       La bioluminescence a été mise à profit dans des recherches couvrant un vaste éventail de travaux portant sur le cancer, la fibrose kystique et les maladies cardiaques. Lors de ces travaux, le gène de la luciférase a surtout été utilisé comme gène rapporteur (marqueur), accolé aux gènes étudiés. La lumière émise permet de "voir" si le gène étudié a bien été intégré au génome, et à quel endroit il est exprimé dans la cellule ou dans les tissus.

•   A Dallas le 29 Mai 2008 , le gène qui permet aux lucioles d'émettrent de la lumière a aider les chercheurs à suivre l'efficacité des médicaments contre le cancer au fil du temps.A UT Southwestern Medical Center, les chercheurs sont parmi les premiers à montrer que d'une technique appelée imagerie par bioluminescence (BLI) peut être utilisé pour déterminer l'efficacité des médicaments contre le cancer que étouffer une tumeur de l'approvisionnement en sang. Cette technique a besoin d'un substrat appelé luciferin, qui va être ajoutée à la circulation sanguine.Lorsque le substrat luciferin atteint les cellules qui ont été modifiés de manière à porter le gène de la luciole, les cellules émettent de la lumière .

•   Le substrat luciferin est livré via le système vasculaire, les chercheurs ont entrepris de déterminer la cinétique de la livraison et si le luciferin BLI techniques pourraient être utilisées pour évaluer l'efficacité des médicaments qui détruisent les vaisseaux sanguins qui nourrissent les tumeurs. Ils ont testé leur théorie sur des souris portant des tumeurs du cancer du sein. Avant d'être introduit pour les animaux, les cellules tumorales ont été transférer avec le gène de lucioles, elles se divisent et elles sont comme génétiquement modifié, résistant aux herbicides des cultures vivrières.Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé la lumière BLI pour surveiller les émissions de tumeurs après l'administration du luciferin. Alors que la souris n'a visiblement pas réagi et n'émet pas d'éclat de lumière,les chercheurs ont utilisé la lumière spéciale de matériel de détection pour pouvoir observer la comparaison entre la quantité de lumière émise et la taille de la tumeur.

     Des bactéries luminescentes sont également utilisées comme organismes indicateurs dans des tests biologiques , outils de surveillance de l’environnement. Ainsi, un test commercial comme le test MICROTOX® permet de tester le potentiel toxique des eaux à l’aide de bactéries luminescentes..

 III - Applications pédagogiques:

 Expérience à réaliser:

   Comme il est rarement possible de se procurer des lucioles, il est plus simple d'acheter les produits dans le commerce. SIGMA propose l'ensemble des produits nécessaires, soit séparément, soit sous forme de kit de démonstration.Nous avons appelé l'entreprise et nous avions commandé un des kits que l'entreprise nous proposé,qui convener à notre budget,mais cependant il y a eu erreur de leur part sur l'indication du montant du frain de port de ce fait nous ne pouvons pas réalisé cette expérience.

 Démonstration de la bioluminescence:

   Avec des animaux congelés, il suffira de broyer l'abdomen dans l'eau avec un peu de sable dans un mortier pour observer la luminescence après avoir fait l'obscurité dans la pièce. Si la luminescence n'apparaît pas, l'addition d'un mL d'une solution d'ATP à 1 mg/mL la déclenchera.

Avec le kit Sigma, la manipulation est également très simple. Ce kit est composé de cinq flacons contenant un mélange luciférine + luciférase (extrait sec de 50 mg de lanterne de luciole par flacon) avec un tampon à l'arsenic (permettant de faire durer le phénomène plus de trois minutes) et de quinze flacons contenant 1 mg d'ATP et 40 mg de MgSO₄. Ajouter 5 mL d'eau distillée dans un flacon de luciférine-luciférase et l'agiter légèrement pour dissoudre la poudre. Pipeter 1,5 mL avec une pipette équipée d'une poire (NE JAMAIS PIPETER A LA BOUCHE : PRESENCE D'ARSENIC DANS LE FLACON). Faire l'obscurité dans la salle et verser le contenu de la pipette dans le tube contenant l'ATP : immédiatement, une belle lumière verte apparaît et se maintient quelques minutes.

Pour obtenir de bons résultats, l'obscurité dans la salle doit être la meilleure possible et il faut attendre quelques minutes pour que l'œil s'y adapte.