Luciferin-Luciferase-System
Definition
Das Luciferin-Luciferase-System ist ein aus mehreren Teilen bestehendes biologisches System zur Erzeugung von Chemolumineszenz bzw. Biolumineszenz. Luciferin wird durch das Enzym Luciferase in Oxyluciferin überführt. Bei dieser Reaktion wird Energie in Form von Licht frei. Luciferin-Luciferase Systeme findet man z.B. bei biolumineszenten Tierarten, die das erzeugte Licht zur Partnersuche oder zur Kommunikation nutzen.
Einteilung
Luciferine sind eine heterogene Naturstoffklasse, ebenso existiert keine Sequenzhomologie der Luciferasen. Man differenziert fünf verschiedene Arten von Luciferin-Luciferase-Systemem:
- Luciferin aus Leuchtkäfern (Photinus oder Luciola)
- Luciferin aus Bakterien
- Luciferin aus Dinoflagellaten
- Vargulin aus Muschelkrebsen (Vargula)
- Coelenterazin aus verschiedenen Meerestieren wie Cnidaria, Copepoda, Chaetognatha, Ctenophora, krebse Decapoda, Mysida, Radiolaria und einige Fischarten.
Reaktionsgleichungen
- Schritt 1 - Überführung des Luciferins in Luciferinadenylat: Durch Bindung von AMP an die Carboxylatgruppe des Luciferins wird Energie frei (ATP-Verbrauch).
- Schritt 2 - Angeregter Zustand: Das Luciferinadenylat erreicht seinen angeregten Zustand (*).
- Schritt 3 - Rückfall auf den Grundzustand und Reaktion zu Oxyluciferin: Das Luciferinadenylat fällt auf Grundzustand zurück und reagiert unter Abspaltung der Carboxylatgruppe als CO2 zu Oxyluciferin. Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht emittiert.
Medizinischer Nutzen
Resistenzermittlung
Das Luciferin-Luciferase-System kann zur Resistenzbestimmung eingesetzt werden. Dabei wird mit Hilfe von erregerspezfischen Partikeln das Luciferase-Gen in die Bakterien eingeschleust, deren Resistenz getestet werden soll. Nach Zugabe von Luciferin kommt es in der Probe zur Biolumineszenz. Bei gleichzeitiger Zugabe eines Antibiotikums kann die Empfindlichkeit der Erreger indirekt durch die Intensität der Lumineszenz ermittelt werden. Bei Wirksamkeit des Antibiotikums kommt es zu einer abgeschwächten oder ausbleibenden Lichtemission. Das emittierte Licht misst man mithilfe eines Lumineszenzphotometers.
Neugeborenen-Screening
Ein weiteres Einsatzgebiet des Luciferin-Luciferase-Systems ist das Neugeborenenscreening auf eine Duchenne-Muskeldystrophie. Hier macht man sich den Umstand zunutze, dass bei der Luciferin-Luciferase-Reaktion ATP verbraucht wird. Bei einer Muskeldystrophie ist die Creatinkinase (CK) im Blut deutlich erhöht. Diese CK setzt für die Messreaktion zugeführtes Kreatinphosphat und ADP zu ATP und Kreatin um. Das ATP-verbrauchende Luciferin-Luciferase-System dient dann als Indikatorreaktion, deren Biolumineszenz luminometrisch gemessen werden kann. Ist die CK in der Probe erhöht, kommt es zu einer verstärkten Lumineszenz.