Glühwürmchen sind die Lichtkünstler der Natur und erleuchten die Nacht mit einem zauberhaften Glühen. Hinter diesem Phänomen verbirgt sich unser Molekül des Monats, das Firefly-Luciferin.
Der Name der Luciferine leitet sich aus dem lateinischen lucifer ‚Licht bringend‘ ab. In vielen, vor allem aquatischen Organismen, sorgt das Luciferin für die Erzeugung von Licht. Am besten erforscht ist die Biolumineszenzreaktion in Leuchtkäfern der Art Photinus pyralis mit D-Luciferin.
Für die Reaktion sind immer Sauerstoff und ein Enzym namens Luciferase erforderlich. Es stellte sich auch heraus, dass zusätzlich ATP und Magnesiumionen benötigt werden. Bei der Reaktion entsteht dann Oxyluciferin, CO2 , AMP, PPi und ein Lichtquant.
Der genaue Reaktionsmechanismus wurde bereits in den 1970er Jahren durch Osamu Shimomura entschlüsselt: Durch ATP wird das D-Luciferin zunächst an der Carboxygruppe adenyliert, wobei Pyrophosphat freigesetzt wird. Diese Aktivierung ermöglicht die Abstraktion des Protons am C4-Atom, wodurch ein Carbanion entsteht. Anschließend wird das Luciferin am C4-Atom oxygeniert, wobei ein lineares Hydroperoxid gebildet wird. AMP wird abgespaltet und es entsteht ein Dioxetanonring. Nach einer Decarboxylierung entsteht daraus Oxyluciferin, das entweder als Monoanion (Ketoform) oder Dianion (Enolform) vorliegen kann. In beiden Fällen befindet sich das Oxyluciferin in einem energetisch angeregten Zustand. Es kehrt unter Abgabe eines Photons (rotes oder gelb-grünes Licht je nach Familie der Leuchtkäfer) in seinen Grundzustand zurück. Oxyluciferin selbst wurde aufgrund seiner extremen Instabilität noch nicht in Reinform isoliert.
Das Luciferin-Luciferase-System der Glühwürmchen hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Proben können z.B. schnell auf ATP getestet werden um Bakterienkontaminationen zu detektieren. Luciferasen werden auch als Marker in der Molekularbiologie genutzt, um zu überprüfen ob ein gewünschtes Gen exprimiert wird. Generell gilt die Lichtreaktion von Luciferin als eine weitverbreitete Methode für die in vivo Bildgebung.