Bioluminiscenca je sposobnost živih organizmov, da proizvajajo vidno svetlobo in je eden najbolj fascinantnih naravnih pojavov. Prisotna je lahko pri različnih organizmih, med drugim pri bakterijah, dinoflagelatih, glivah, žuželkah (npr. kresnice), in številnih morskih živalih.

Kljub biološkim razlikam je temorganizmom skupna sposobnost proizvajanja vidne svetlobe z biokemičnimi reakcijami. V naravi ima ta svetloba različne funkcije: organizmi jo lahko uporabljajo za sporazumevanje, privabljanje plena, kamuflažo ali obrambo pred plenilci. Bioluminiscenca je pomembna tudi v znanosti, saj se uporablja pri biološkem slikanju, proučevanju izražanja genov, biosenzoriki in spremljanju okolja [1,2].

Toda bioluminiscenca odpira še eno vprašanje: ali bi lahko biološka svetloba postala funkcionalni del prihodnjih tehnologij in materialov?

Izkoriščanje biološke svetlobe

Bioluminiscenčni sistemi se že desetletja uporabljajo kot analitična orodja. Svetleče bakterije lahko na primer delujejo kot biološki senzorji za onesnaževala in strupene spojine v okolju. Njihovo oddajanje svetlobe je mogoče neposredno meriti in ker je intenzivnost bioluminiscence tesno povezana z aktivnostjo celic, lahko spremembe v intenzivnosti svetlobe zagotovijo informacije o biološki aktivnosti celic oziroma stopnji onesnaženosti okolja [3,4].

V zadnjem času raziskovalci in oblikovalci raziskujejo tudi drugo možnost: uporabo živih organizmov kot virov svetlobe v vsakdanjem življenju. Eden takšnih  primerov prihaja iz Rambouilleta v Franciji, kjer je biotehnološko podjetje Glowee razvilo pilotni sistem biološke razsvetljave zmorskimi bakterijami, sposobnimi proizvajati svetlobo [5,6]. Mikroorganizmi so v nadzorovanem tekočem okolju, kjer jim hranila in prezračevanje omogočajo, da ostanejo aktivni in proizvajajo značilno modro-zeleno svetlobo.

Tehnologija trenutno še ne zagotavlja zadostne intenzivnosti svetlobe, da bi lahko nadomestila konvencionalno ulično razsvetljavo. Pilotni projekt v Rambouilletu zato predvsem ponazarja možnosti uporabe biološko proizvedene svetlobe za urbano signalizacijo in druge oblike osvetljevanja z nizko intenzivnostjo, hkrati pa preizkuša praktične izzive vzdrževanja sistema z živimi organizmi v zunanjem okolju [7,8].

Pilotni primer predstavlja drugačen pogled na osvetljevanje, kjer svetloba nastaja kot rezultat aktivnosti živega sistema in ne s pomočjo konvencionalnega električnega vira.

Ko se živa svetloba sreča z materiali

Bioluminiscenco raziskujejo tudi na področju znanosti o materialih. Raziskovalci so encime, vključene v procese bakterijske bioluminiscence, imobilizirali na sintetičnih vlaknatih materialih in tako pokazali, da je mogoče komponente bioloških sistemov za proizvajanje svetlobe vključiti na površine materialov [9].

Novejše raziskave so šle še korak dlje. Žive bioluminiscenčne bakterije so vključili v tanke plošče na osnovi alginata in s tem pokazali možnost njihove uporabe kot funkcionalnih bioloških komponent materialov [10].

Nedavno so raziskovalci švicarskega zveznega laboratorija za znanost in tehnologijo materialov Empa predstavili drugačen pristop, ki temelji na glivah. Balsov les so združili z naravno bioluminiscenčno glivo Desarmillaria tabescens in tako ustvarili hibridni živi material, ki je proizvajal vidno svetlobo,. vendar je bila njena proizvodnja močno odvisna od okoljskih pogojev, zlasti od časa kolonizacije glive in vlažnosti lesa [11].

Kljub temu raziskava ponazarja pomemben koncept, ki pravi, da gliva ni zgolj vir spojin, ki omogočajo proizvodnjo svetlobe, ampak da z ohranjanjem njene živosti  lahko ostaja aktivna komponenta materiala.

Raziskovanje žive svetlobe na InnoRenew CoE, UP IAM

Na InnoRenew CoE, UP IAM smo v okviru projekta BIOLUMICOAT – Bioluminiscencni mikrobni premaz za arhitekturne povrsine [12] raziskovali možnosti povezovanja bioluminiscence z živimi materiali. Namen raziskave je bil preučiti možnost uporabe naravnih bioluminiscenčnih mikroorganizmov v živih premazih za arhitekturne materiale.

Raziskava je preučevala različne bioluminiscenčne mikroorganizme in pogoje njihovega gojenja, ki vplivajo na njihovo rast in oddajanje svetlobe. V okviru projekta so bile obravnavane tudi interakcije med bioluminiscenčnimi bakterijami in glivami kot možen korak k razvoju kompleksnejših živih sistemov.

Slika 1. Vidna bioluminiscenca bakterijskih kultur, proučevanih v okviru projekta BIOLUMICOAT. Avtor slike: Wojciech Pajerski / InnoRenew CoE, UP IAM.

Prehod od svetleče mikrobne kulture do funkcionalne žive površine pa predstavlja bistveno večji izziv. Organizem mora ostati živ in presnovno aktiven, obenem mora biti sposoben sodelovati z neživim materialom ter hkrati še naprej proizvajati svetlobo. Hranila, voda, okoljski pogoji, kolonizacija površine in lastnosti vmesnika med živim in neživim tako postanejo pomembni dejavniki pri načrtovanju takšnega materiala.

Bioluminiscenčni materiali so še vedno v zgodnji fazi razvoja in trenutno ne predstavljajo alternative konvencionalni razsvetljavi. Vendar raziskave bakterij, gliv in biohibridnih sistemov kažejo, da lahko proizvajanje svetlobe postane ena od funkcionalnih lastnosti materialov, ki vsebujejo žive komponente.

V prihodnosti bi lahko naravna sposobnost nekaterih mikroorganizmov za proizvajanje svetlobe tako postala funkcionalna lastnost samega materiala.

Viri in literatura:

[1] Widder, E. A. & Falls, B. IEEE J Sel Top Quantum Electron 20, 232–241 (2014). DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2284434

[2] Yeh, H. W. & Ai, H. W. Annu Rev Anal Chem 12, 129–150 (2019). https://doi.org/10.1146/annurev-anchem-061318-115027

[3] Girotti, S., Ferri, E. N., Fumo, M. G. & Maiolini, E. Anal Chim Acta 608, 2–29 (2008). https://doi.org/10.1016/j.aca.2007.12.008

[4] Li, Y., Zhao, Y., Du, Y., Ren, X., Ding, H. & Wang, Z. Luminescence 39, e4721 (2024). https://doi.org/10.1002/bio.4721

[5] BBC Future. The living lights that could reduce energy use (2022). https://www.bbc.com/future/article/20220407-the-living-lights-that-could-reduce-energy-use

[6] Glowee. Glowurban – Integrate bioluminescence into your city projects. https://glowee.com/glowurban/

[7] European Commission, CORDIS. Pipelight_2 – The illumination revolution, Project 101009497. https://cordis.europa.eu/project/id/101009497/reporting

[8] Université de Lyon, Pop’Sciences. En ville, innover pour éclairer mieux et moins (2023). https://popsciences.universite-lyon.fr/ressources/quand-la-lumiere-eclaire-le-vivant-un-dossier-popsciences/

[9] Iyer, S. N., Behary, N., Guan, J. & Nierstrasz, V. ACS Appl Bio Mater 3, 3401–3412 (2020). https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00329

[10] Sasaki, S., Mochizuki, M. & Igarashi, M. Anal Sci 29, 267–269 (2013). https://doi.org/10.2116/analsci.29.267

[11] Schwarze, F. W. M. R. et al. Adv Sci 11, 2403215 (2024). https://doi.org/10.1002/advs.202403215

[12] Pajerski, W. & Sandak, A. Engineered Living Materials at InnoRenew CoE 2025. Zenodo (2025). https://doi.org/10.5281/zenodo.17106693

Zahvala

W.P. priznava podporo Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije (projekt N2-0410).

Avtorja: Dr. Anna Sandak in Dr. Wojciech Pajerski