生物發(fā)光技術(shù)研究及其應(yīng)用進(jìn)展

摘要：
目的：了解生物發(fā)光種類、機(jī)理及其在醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)、食品、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用。
方法：對有關(guān)的文獻(xiàn)中生物發(fā)光種類、機(jī)理及其在上述領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行綜述。
結(jié)果：生物發(fā)光有兩類，機(jī)理明確，應(yīng)用廣泛。
結(jié)論：生物發(fā)光在很多領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，對其深入了解和研究至關(guān)重要。

生物發(fā)光是生物發(fā)光器在細(xì)胞或生物體內(nèi)發(fā)生光能釋放反應(yīng)的過程。本文簡要介紹生物發(fā)光種類、機(jī)理及其在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、食品和環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

生物發(fā)光主要有2種：①發(fā)生化學(xué)或生物學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的光能信號，主要有含熒光素酶的細(xì)菌、真菌、昆蟲等；②被激發(fā)后產(chǎn)生的光能信號，主要有含熒光蛋白的水母、珊瑚、水螅等。

 

2．1熒光素酶
熒光素酶是生物體內(nèi)催化熒光素或脂肪醛氧化發(fā)光的一類酶的總稱。依來源，可分為螢火蟲熒光素酶(1uciferasefrom firefly，F(xiàn)L)和細(xì)菌熒光素酶(bacterial lucifer_ase，BL)。FL在Mg、ATP、O₂的參與下，催化D-熒光素氧化脫羧，產(chǎn)生激活態(tài)氧化熒光素，并放出光子，產(chǎn)生550～580nm的熒光。BL以脂肪醛為底物，在還原型黃素單核苷酸及氧的參與下，使脂肪醛在氧化為脂肪酸的同時放出光子，產(chǎn)生490nm的熒光。

 

2．2 熒光蛋白
熒光蛋白中GFP(green fluorescent protein)研究最清楚。GFP含有的特殊生色團(tuán)是由蛋白質(zhì)內(nèi)部第65-67位絲氨酸、脫氫酪氨酸、甘氨酸自身環(huán)化和氧化形成的，用紫外或藍(lán)光激發(fā)即能發(fā)出肉眼可見的綠色熒光，無需任何底物或輔助因子。

 

生物發(fā)光作為一種非放射性、非創(chuàng)傷損害性、高靈敏度、實(shí)時動態(tài)的檢測技術(shù)，在醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究、食品及環(huán)境檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

 

3．1在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用
生物發(fā)光可對特定細(xì)胞或分子行為進(jìn)行非侵入性連續(xù)動態(tài)觀察，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛用于致病機(jī)理、藥物機(jī)制、新藥篩選評價等研究。

 

熒光素酶被廣泛應(yīng)用于研究病毒感染、復(fù)制、治療。Luker用熒光素酶基因標(biāo)記牛痘病毒，免疫1h后即可測得細(xì)胞內(nèi)熒光，熒光的變化量直接反映病毒的復(fù)制量。王建東利用熒光素酶基因標(biāo)記肺癌細(xì)胞，并將其接種于嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷小鼠皮下，成功建立了穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶報告基因的肺癌細(xì)胞系及異種移植動物模型，為肺癌進(jìn)展、轉(zhuǎn)移以及藥物敏感性等相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

朱紅梅用綠色熒光蛋白基因gfp基因標(biāo)記毒性大腸桿菌(ETEC)，獲得了GFP基因表達(dá)、遺傳穩(wěn)定的發(fā)光標(biāo)記菌株，為進(jìn)一步研究ETEC侵染途徑及致病機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。通過ETEc標(biāo)記的GFP熒光可準(zhǔn)確、簡單、快速反應(yīng)細(xì)菌易位率的變化，為益生素篩選、評價提供依據(jù)。

 

3．2．1在分子生物學(xué)中的應(yīng)用熒光素酶基因廣泛應(yīng)用于不同啟動子下外源基因表達(dá)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究，尤其對低水平表達(dá)的調(diào)控方式有較大意義。姚文娟以熒光素酶基因?yàn)閳蟾婊�因，探討HBV轉(zhuǎn)導(dǎo)后調(diào)節(jié)序列(HPRE)的功能元件(α，β1，β2)對INF-α作用的影響，HPRE的功能元件β2與INF-α作用最為密切，而α，β1在INF-α應(yīng)答中作用甚小。熒光素酶還用于研究植物生理節(jié)奏，Mmar曾用螢光酶作報告基因研究擬南芥基因表達(dá)節(jié)律性。

Ikawa制作了在肌肉、脾、腎、心臟等器官中表達(dá)GFP的轉(zhuǎn)基因小鼠，表明GFP可作為胚胎移植前有效的選擇標(biāo)記，對胚胎進(jìn)行熒光檢測可以有選擇地培育轉(zhuǎn)基因小鼠，大大提高轉(zhuǎn)基因動物的制作率，減少了胚胎移植的盲目性。單志新以巨噬細(xì)胞移動抑制因子基因?yàn)檠芯繉ο�，利用GFP作報告分子篩選出能有效抑制巨噬細(xì)胞移動抑制因子基因表達(dá)的siRNA。

 

3．2．2在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用
R Paulmurugan應(yīng)用蟲熒光素酶對成肌調(diào)節(jié)因子和細(xì)胞分化抑制因子間強(qiáng)烈的相互作用進(jìn)行了研究。sung用這種原理把海星熒光素酶進(jìn)行了剪切與重聚，研究雄激素受體在小鼠中的易位作用。為研究細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)、哺乳動物細(xì)胞中蛋白質(zhì)磷酸化提供了一個可靠、快速的方法。

GFP融合蛋白可以觀察細(xì)胞骨架的動態(tài)變化、細(xì)胞器動力學(xué)和內(nèi)膜系統(tǒng)的運(yùn)輸、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)、病毒的運(yùn)動和大分子的運(yùn)輸?shù)�，Cheng用gfp基因修飾煙草花葉病毒并感染煙草，用激光掃描共聚焦顯微鏡，觀測到病毒維管束浸染路徑和積累方式。

 

3．3監(jiān)測環(huán)境
發(fā)光細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度與某些污染物濃度呈較好的線性關(guān)系，能穩(wěn)定、快速地測定污染物濃度變化。王亞以DiFMI為底物，建立的熒光蛋白磷酸酶抑制法(F_PPIA)檢測環(huán)境樣本中MC結(jié)果和HPLC法檢測結(jié)果相關(guān)性較好，作為一種快速檢測方法，尤其對大批量、低濃度MC水樣的監(jiān)測有較好的應(yīng)用前景。于海將發(fā)光細(xì)菌固定于光纖表面，與光檢測系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)了一種發(fā)光細(xì)菌光纖傳感器，用于水中污染物毒性快速監(jiān)測和評價具有較好的準(zhǔn)確性和靈敏度。

 

 

3．4．1色素 
黨亞愛證明17種常用色素對發(fā)光細(xì)菌均有一定的急性毒性，細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度與色素毒性呈負(fù)相關(guān)，發(fā)光細(xì)菌可簡便、快速檢測色素口。

3．4．2 致癌物
江敏研究了吲哚、吡啶、喹啉等6種含氮雜環(huán)化合物對發(fā)光細(xì)菌的急性毒性作用。結(jié)果表明，發(fā)光細(xì)菌的相對發(fā)光度均隨化合物濃度增加而線性降低，具良好相關(guān)性。

3．4．2微生物
高岳利用ATP生物發(fā)光技術(shù)對脫水香菇細(xì)菌污染情況進(jìn)行了快速檢測試驗(yàn)L2。結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)細(xì)菌培養(yǎng)方法有良好相關(guān)性，且不需復(fù)雜的設(shè)備，可用于食品快速篩選和現(xiàn)場檢測，是一項(xiàng)值得推廣的新技術(shù)。

3．4．3檢測農(nóng)藥殘留
袁東星發(fā)現(xiàn)發(fā)光細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度與有機(jī)磷農(nóng)藥濃度呈負(fù)相關(guān)，可用于現(xiàn)場快速檢測，稍加改進(jìn)便可用于食品中多種毒物檢測。

生物發(fā)光技術(shù)已在生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)產(chǎn)品、環(huán)保等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。相信，隨著研究的進(jìn)一步深入，它將在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生更大的價值。

（劉陽子，倪士銀等  西北藥學(xué)雜志）