C) APPLICATIONS
La bioluminescence des lucioles est un sujet qui capture la curiosité de scientifiques et l’imagination d’entreprises qui cherchent à l’exploiter pour produire une source de luminosité efficace et verte pour répondre aux besoins du développement durable. Par exemple, Glowee, une entreprise de biotechnologie française, veut développer une lumière biologique qui ne nécessite pas d’électricité, en s’inspirant de diverses espèces allant des bactéries symbiotiques aux calamars, qui utilisent le même type de procédé pour produire de la lumière. De même, des scientifiques ont reproduit ce mécanisme en attachant la luciférase à des nanotubes pour produire des couleurs différentes du jaune, auquel nous sommes habitués. En revanche, cela se limitera à des lumières décoratives, mais n’utilisera pas d’électricité. Tout de même, des chercheurs se sont inspirés de la structure des cuticules des lucioles pour produire des DELs qui seront 55 % plus efficaces.
A) FONCTIONNEMENT DE LA RÉACTION LUCIFÉRINE-LUCIFÉRASE
La réaction luciférine-luciférase se produit à l'intérieur de la luciole dans ses photophores et, plus précisement,
ses photocytes. Cette réaction est due à la luciférine et à la luciférase, qui sont deux termes généraux pour décrire, respectivement, un composé chimique qui produit de la lumière et l’enzyme responsable de la réaction chimique.
De plus, l’oxygène est indispensable à cette réaction. Ce procédé qui sert à produire la bioluminescence est très répandu dans le monde vivant, comme les bactéries, les calamars, les crustacés, les méduses, et les lampyres.
En revanche, la luciole est unique, car pour produire
de la bioluminescence elle a aussi besoin de l’ATP. Chez la luciole, la luciférine subit une oxydation à cause de la luciférase, ce qui nécessite l’intervention de l’ATP. Dans une étape intermédiaire, cela produit du 1,2 dioxétanedione (une forme de 1,2 dioxétane) et des cétones dans un état excité, ce qui signifie que des électrons dans les cétones sont montés à un niveau d’énergie supérieur,
puis les électrons redescendent à un niveau d'énergie inférieur (pas nécessairement celui dont ils proviennent), ce qui émet
un photon produisant de la lumière. L'énergie émise par le
1,2 dioxétane est utilisée pour former l'oxyluciférine, un composé qui est mis dans un état excité et de suite émet des photons
en se desexcitant, produisant ainsi de la lumière verte à rouge pour obtenir la couleur orange perçue.
D- Luciférine
Oxyluciférine
Ce mécanisme a beaucoup d’étapes intermédiaires, mais il est très facilement reproduit in vitro. Si l’on dispose de luciférine et de luciférase de luciole, ou de lanterne de luciole fortifiée, il suffit juste de les mettre ensemble, dans une pièce noire, dans un tube essai, et ajouter de l’ATP pour observer
e phénomène.
Le 1,2 dioxétanedione suite à la décomposition du CO2 donne un cétone excité (* = excité)
De plus, ce mécanisme produit 95 % de lumière comparé au DEL qui n’en produit que 15 %, donc c’est une manière très efficace pour produire de la lumière.
INTRODUCTION
Nous voulons utiliser le phénomène de bioluminescence présent dans les lucioles pour developper des applications utiles aux humains. À cette fin, nous allons étudier le fonctionnement de la réaction luciférine-luciférase qui produit la lumière et réaliser des expériences pour savoir si nous pouvons améliorer la luminescence produite. Ensuite, grâce à nos expériences et nos recherches, nous verrons les applications possibles.
I. Étude de la production d'énergie
par les lucioles
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https://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence#Chemical_mechanism
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https://en.wikipedia.org/wiki/Luciferase#Firefly_and_click_beetle
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http://www.jstor.org/stable/pdf/1719175.pdf?refreqid=search%3Aa44289d04ec5814c6caf5b492a6efb68
-
http://www.jstor.org/stable/pdf/3583617.pdf?refreqid=search%3Aa32033508819328bdfacf37cc4d84869
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https://www.annabac.com/annales-bac/l-atp-et-la-bioluminescence-du-lampyre
-
http://www.jstor.org/stable/pdf/1297451.pdf?refreqid=search%3A3b826bda5d9c721689d69bf2ce4776ad
-
https://www.wardsci.com/store/product/8867003/ward-s-atp-firefly-kit
Dans la première expérience, nous avons vu que nous pouvions augmenter l’intensité lumineuse de la réaction luciférine-luciférase en manipulant la concentration d’ATP.
Dans la deuxième expérience, nous n’avons pas obtenu les résultats que nous attendions, mais notre recherche
nous a montré que le spectre d’émission de la réaction luciférine-luciférase changeait avec l’acidité de la solution,
par conséquent elle pourrait donner différentes couleurs.
Dans la troisième expérience, nous avons observé que les températures élevées n’avaient pas les effets désirés
sur la réaction luciférine-luciférase, c'est-à-dire une réaction plus intense qui dure plus longtemps, mais nous pensons tout de même que les températures basses pourraient offrir une réaction qui n'est pas plus intense, mais qui dure toutefois
plus longtemps.
Ainsi, ces expériences montrent qu’une « ampoule » fonctionnant à partir de la réaction luciférine-luciférase
ne serait pas idéale. Même si l’intensité peut augmenter, elle ne sera jamais assez suffisante pour qu’elle puisse illuminer
de facon à suffisamment voir. Néanmoins, nous pensons tout de même que de telles ampoules pourraient être utiles
en tant que lumières festives ou décoratives, vu les différentes couleurs possibles. Étant donné que l’intensité lumineuse est faible, il ne reste qu’à augmenter la durée de la réaction. Cette conclusion est partagée par des chercheurs travaillant avec la luciférine et la luciférase : “Future Christmas light displays, night-lights and other dim but decorative lighting made with this method wouldn't need any batteries or electrical outlets to shine brightly.”. L'article est disponible sur le site :
CONCLUSION
SOURCES
D) ETUDE DE LA CHIMILUMINESCENCE
LEXIQUE
Structure de l'ATP
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ATP (adénosine triphosphate)
molécule d'énergie utilisée
par une cellule
-
1,2 dioxétane :
un type de peroxide
de formule C2O2H4
Structure du peroxyde
Structure du 1,2 dioxétane
Structure du cétone
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Cétone :
groupe fonctionnel chimique avec un carbone attaché avec
une double liaison à un oxygène et par deux liaisons simples
des groupes hydrocarbonés
Sites et Journaux Scientifiques
Photos
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*1: By art farmer from evansville indiana, usa (firefly 0877) [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons
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*2: ©2001 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology
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*3: https://os.bio-protocol.org/attached/image/20160315/20160315195024_2791.jpg
B) EXPÉRIENCES
logo de la startup
De plus, la luciférase peut être utilisée dans l'imagerie biomédicale; on peut produire de la luciférase en altérant l'ADN de cellules précises dans un organisme, afin que les cellules en produisent. Ensuite, de la luciférine est injectée pour produire de la bioluminescence qui peut être mesurée avec un équipement très précis. Ce procédé est donc une bonne méthode non invasive pour effectuer l'imagerie d'organismes vivants et étudier le fonctionnement de cellules,
ainsi que le déroulement de maladies et de cancers.
Représentation en 3D de la
D-Luciférine
Représentation en 3D de la structure crisalline de la luciférase de luciole
