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(duì)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(duì)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(jiǎn)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。
1 種類
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(hào)，主要有含熒光素酶，昆蟲等；②被激發(fā)后產(chǎn)生的光能信號(hào)，主要有含熒光蛋白的水母、珊瑚、水螅等。
2 機(jī)理
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(shí)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*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。
3 應(yīng)用
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(shí)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究、食品及環(huán)境檢測(cè)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(duì)特定細(xì)胞或分子行為進(jìn)行非侵入性連續(xù)動(dòng)態(tài)觀察，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛用于致病機(jī)理、新藥篩選評(píng)價(jià)等研究。
熒光素酶被廣泛應(yīng)用于研究病毒感染、復(fù)制。Luker用熒光素酶基因標(biāo)記牛痘病毒，1h后即可測(cè)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)合缺陷小鼠皮下，成功建立了穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶報(bào)告基因的肺癌細(xì)胞系及異種移植動(dòng)物模型，為肺癌進(jìn)展、轉(zhuǎn)移以及敏感性等相關(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(jiǎn)單、快速反應(yīng)易位率的變化，為益生素篩選、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。
3．2在生物科學(xué)研究中的應(yīng)用
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(dòng)子下外源基因表達(dá)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究，尤其對(duì)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?bào)告基因，探討HBV轉(zhuǎn)導(dǎo)后調(diào)節(jié)序列(HPRE)的功能元件(α，β1，β2)對(duì)INF-α作用的影響，HPRE的功能元件β2與INF-α作用很為密切，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(bào)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(duì)胚胎進(jìn)行熒光檢測(cè)可以有選擇地培育轉(zhuǎn)基因小鼠，大大提高轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(dòng)抑制因子基因?yàn)檠芯繉?duì)象，利用GFP作報(bào)告分子篩選出能有效抑制巨噬細(xì)胞移動(dòng)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(duì)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(dòng)物細(xì)胞中蛋白質(zhì)磷酸化提供了一個(gè)可靠、快速的方法。
GFP融合蛋白可以觀察細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)變化、細(xì)胞器動(dòng)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(dòng)和大分子的運(yùn)輸?shù)龋珻heng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(cè)到病毒維管束浸染路徑和積累方式。
3．3監(jiān)測(cè)環(huán)境
發(fā)光發(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(cè)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(cè)環(huán)境樣本中MC結(jié)果和HPLC法檢測(cè)結(jié)果相關(guān)性較好，作為一種快速檢測(cè)方法，尤其對(duì)大批量、低濃度MC水樣的監(jiān)測(cè)有較好的應(yīng)用前景。于海將發(fā)光固定于光纖表面，與光檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)了一種發(fā)光光纖傳感器，用于水中污染物毒性快速監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)具有較好的準(zhǔn)確性和靈敏度。
4.小結(jié)與展望
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(jià)值。
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(duì)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(duì)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(jiǎn)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。
1 種類
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(hào)，主要有含熒光素酶，昆蟲等；②被激發(fā)后產(chǎn)生的光能信號(hào)，主要有含熒光蛋白的水母、珊瑚、水螅等。
2 機(jī)理
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(shí)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*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。
3 應(yīng)用
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(shí)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究、食品及環(huán)境檢測(cè)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(duì)特定細(xì)胞或分子行為進(jìn)行非侵入性連續(xù)動(dòng)態(tài)觀察，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛用于致病機(jī)理、新藥篩選評(píng)價(jià)等研究。
熒光素酶被廣泛應(yīng)用于研究病毒感染、復(fù)制。Luker用熒光素酶基因標(biāo)記牛痘病毒，1h后即可測(cè)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)合缺陷小鼠皮下，成功建立了穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶報(bào)告基因的肺癌細(xì)胞系及異種移植動(dòng)物模型，為肺癌進(jìn)展、轉(zhuǎn)移以及敏感性等相關(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(jiǎn)單、快速反應(yīng)易位率的變化，為益生素篩選、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。
3．2在生物科學(xué)研究中的應(yīng)用
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(dòng)子下外源基因表達(dá)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究，尤其對(duì)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?bào)告基因，探討HBV轉(zhuǎn)導(dǎo)后調(diào)節(jié)序列(HPRE)的功能元件(α，β1，β2)對(duì)INF-α作用的影響，HPRE的功能元件β2與INF-α作用很為密切，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(bào)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(duì)胚胎進(jìn)行熒光檢測(cè)可以有選擇地培育轉(zhuǎn)基因小鼠，大大提高轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(dòng)抑制因子基因?yàn)檠芯繉?duì)象，利用GFP作報(bào)告分子篩選出能有效抑制巨噬細(xì)胞移動(dòng)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(duì)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(dòng)物細(xì)胞中蛋白質(zhì)磷酸化提供了一個(gè)可靠、快速的方法。
GFP融合蛋白可以觀察細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)變化、細(xì)胞器動(dòng)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(dòng)和大分子的運(yùn)輸?shù)龋珻heng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(cè)到病毒維管束浸染路徑和積累方式。
3．3監(jiān)測(cè)環(huán)境
發(fā)光發(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(cè)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(cè)環(huán)境樣本中MC結(jié)果和HPLC法檢測(cè)結(jié)果相關(guān)性較好，作為一種快速檢測(cè)方法，尤其對(duì)大批量、低濃度MC水樣的監(jiān)測(cè)有較好的應(yīng)用前景。于海將發(fā)光固定于光纖表面，與光檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)了一種發(fā)光光纖傳感器，用于水中污染物毒性快速監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)具有較好的準(zhǔn)確性和靈敏度。
4.小結(jié)與展望
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(jià)值。
標(biāo)簽：
化學(xué)發(fā)光
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