生物發(fā)光與仿生學

1、生物發(fā)光與仿生學v 生物世界里說到發(fā)光，人們首先會想到螢火蟲，v 生物發(fā)光（bioluminescence）是指生物體發(fā)光或生物體提取物在實驗室中發(fā)光的現象。它不依賴于有機體對光的吸收，而是一種特殊類型的化學發(fā)光，化學能轉變?yōu)楣饽艿男蕩缀鯙?00%。也是氧化發(fā)光的一種。生物發(fā)光的一般機制是：由細胞合成的化學物質，在一種特殊酶的作用下，使化學能轉化為光能。生物發(fā)光的分類v 自然界具有發(fā)光能力的有機體種類繁多。一些細菌和高等真菌有發(fā)光現象。動物界25個門中，就有13個門28個綱的動物具有發(fā)光現象，從最簡單的原生動物到低等脊椎動物中都有發(fā)光動物，如鞭毛蟲、海綿、水螅、海生蠕蟲、海蜘蛛和魚等。動物的

2、發(fā)光，除其自身發(fā)光即一次的發(fā)光以外，由寄生或共生而產生二次發(fā)光的例子也不少。不同生物體的發(fā)光顏色不盡一致，多數發(fā)射藍光或綠光，少數發(fā)射黃光或紅光。v 螢火蟲的發(fā)光是生物發(fā)光的一種。螢火蟲的發(fā)光原理是：螢火蟲有專門的發(fā)光細胞，在發(fā)光細胞中有兩類化學物質，一類被稱作螢光素（在螢火蟲中的稱為螢火蟲螢光素(Firefly luciferin)），另一類被稱為熒光素酶。熒光素能在熒光素酶的催化下消耗ATP ，并與氧氣發(fā)生反應，反應中產生激發(fā)態(tài)的氧化熒光素，當氧化熒光素從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時釋放出光子。反應中釋放的能量幾乎全部以光的形式釋放，只有極少部分以熱的形式釋放，反應效率為95%，甲蟲也因此而不會過熱灼

3、傷。人類到目前為止還沒辦法制造出如此高效的光源。 v 海螢受刺激時，就把直徑只有萬分之一厘米的熒光素黃色顆粒，和直徑只有萬分之二厘米的無色熒光酶顆粒，以及由發(fā)光腺中產生的粘液一齊排入水中，產生淺藍色的光。發(fā)光機制包括細胞內發(fā)光和細胞外發(fā)光兩類：前者較普遍，以夜光藻為代表；后者為從生物體排放出來的某些腺體中含有能發(fā)光的物質。兩者都是通過化學反應將化學能轉變?yōu)楣饽?。因放出的能量很微，稱為冷光。節(jié)足動物細菌細菌它的反應機制與前三種不同。底物在催化循環(huán)中會形成還原型核黃素磷酸鹽和醛化合物，當遇到熒光素酶和氧時，就會形成一種激發(fā)的絡合物。絡合物斷裂時生成氧化核黃素磷酸鹽、酸、水及一個光子，波長47050

4、5納米，光為藍綠色。腔腸動物腔腸動物包括刺絲胞亞門和櫛水母亞門。這種類型發(fā)光具有各種不同的活化反應。亞門和綱不同，活化反應與激發(fā)特性也不同。此類發(fā)光還可以從一個發(fā)光種傳遞激發(fā)態(tài)能量給另一個發(fā)光種，即有敏化生物發(fā)光現象。這種發(fā)光可發(fā)出不同顏色的光，較多地偏向紅色，波長480490納米。過氧化氫生物v包括海筍屬、蚯蚓屬及柱頭蟲屬等。這類發(fā)光包括兩個過程，蟲熒光素與氧或過氧化物單獨或兩者作用后先生成超氧陰離子（自由基），然后再激發(fā)。生物發(fā)光的應用活體生物發(fā)光成像技術v 活體動物體內光學成像主要采用生物發(fā)光與熒光(種技術。生物發(fā)光是用熒光素酶基因標記細胞或DNA，而熒光技術則采用熒光報告基團進行標記。

5、利用一套非常靈敏的光學檢測儀器，讓研究人員能夠直接監(jiān)控活體生物體內的細胞活動和基因行為。通過這個系統，可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學過程。傳統的動物實驗方法需要在不同的時間點宰殺實驗動物以獲得數據。1. 標記細胞v (1) 癌癥與抗癌藥物研究v 直接快速地測量各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉移，并可對癌癥治療中癌細胞的變化進行實時觀測和評估?；铙w生物發(fā)光成像能夠無創(chuàng)傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉移瘤及自發(fā)瘤。精諾真生物成像技術提高了檢測的靈敏度，即使微小的轉移灶也能被檢測到(可以檢測到體內102個細胞的微轉移)。目前已商品化的腫瘤細胞株包括：前列

6、腺癌,黑色素瘤，乳腺癌，肺癌，子宮頸癌和結腸癌等 BiowareTM細胞系模型。v將熒光素酶標記的造血干細胞移植入脾及骨髓，可用于實時觀測活體動物體內干細胞造血過程的早期事件及動力學變化。有研究表明，應用帶有生物發(fā)光標記基因的小鼠淋巴細胞，檢測放射及化學藥物治療的效果，尋找在腫瘤骨髓轉移及抗腫瘤免疫治療中復雜的細胞機制。應用可見光活體成像原理標記細胞，建立動物模型，可有效的針對同一組動物進行連續(xù)的觀察，節(jié)約動物樣品數，同時能更快捷地得到免疫系統中病原的轉移途徑及抗性蛋白表達的改變。(2) 免疫學與干細胞研究v 當熒光素酶與抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳動物細胞中表達，產生的融合蛋白無熒光素酶活性

7、，細胞不能發(fā)光，而當細胞發(fā)生凋亡時，活化的caspase-3在特異識別位點切割去掉抑制蛋白，恢復熒光素酶活性，產生發(fā)光現象，由此可用于觀察活體動物體內的細胞凋亡相關事件。(3) 細胞凋亡2. 標記病毒標記病毒(1) 病毒浸染以熒光素酶基因標記的HSV-1病毒為例，可觀察到HSV-1病毒對肝臟、肺、脾及淋巴結的侵和病毒從血液系統進入神經系統的過程。多種病毒，腺病毒，腺相關病毒，慢病毒，乙肝病毒等，已被熒光素酶標記，用于觀察病毒對機體的侵染過程。(2) 基因治療基因治療包括在體內將一個或多個感興趣的基因及其產物安全而有效的傳遞到靶細胞?？蓱脽晒馑孛富蜃鳛閳蟾婊蛴糜谳d體的構建，觀察目的基因是否

8、能夠在試驗動物體內持續(xù)高效和組織特異性表達。這種非侵入方式具有容易準備、低毒性及輕微免疫反應的優(yōu)點。熒光素酶基因也可以插入脂質體包裹的DNA分子中, 用來觀察脂質體為載體的DNA運輸和基因治療情況。3. 標記細菌v(1) 細菌浸染研究v可以用標記好的革蘭氏陽性和陰性細菌侵染活體動物, 觀測其在動物體內的繁殖部位、數量變化及對外界因素的反應。v(2) 抗生素藥物v利用標記好的細菌在動物體內對藥物的反應，醫(yī)藥公司和研究機構可用這種成像技術進行藥物篩選和臨床前動物實驗研究。近年來，國際上大型制藥公司紛紛將精諾真技術在動物體內的實驗結果作為FDA(美國食品和藥品檢驗局)藥物申報材料中非常重要的臨床前動

9、物實驗部分。v(1) 組織特異性基因表達v熒光素酶(luciferase)是一類生物發(fā)光酶，其中的renilla熒光素酶和firefly熒光素酶分別識別不同的底物, 一種細胞可被這兩種熒光素酶標記: renilla 熒光素酶基因由一組成性穩(wěn)定表達的啟動子驅動, 作為內參，反應細胞數量的變化; firefly熒光素酶基因由要研究的組織特異性啟動子驅動。這樣firefly熒光素酶發(fā)光信號的變化，在消除細胞數量變化的影響后就可反應特定的啟動子在動物體內的表達活性。v(2) 蛋白質相互作用v觀察細胞中或活體動物體內兩種蛋白質的相互作用，是將熒光素酶基因分成兩段，分別連接所研究的兩種蛋白之一的編碼DNA

10、，然后導入細胞或動物體內表達為融合蛋白。當兩種蛋白有強相互作用時，表達的熒光素酶兩部分相互靠近形成有活性的熒光素酶，在有底物存在時出現生物發(fā)光，反映出所研究的兩種蛋白存在相互作用。應用此原理亦可用于研究細胞信號傳導途徑。v(3) 阻斷RNAv通過對比生物發(fā)光的變化，驗證在成年小鼠體內，注射雙鏈siRNA可以特異地阻遏基因表達。4. 基因表達和蛋白質相互作用v(1) 基因表達v為研究目的基因是在何時、何種刺激下表達，將熒光素酶基因插入目的基因啟動子的下游，并穩(wěn)定整合于實驗動物染色體中，形成轉基因動物模型。利用其表達產生的熒光素酶與底物作用產生生物發(fā)光，反應目的基因的表達情況，從而實現對目的基因的研究?？捎糜谘芯縿游锇l(fā)育過程中特定基因的時空表達情況，觀察藥物誘導特定基因表達，以及其它生物學事件引起的相應基因表達或關閉。v(2) 各種疾病模型v研究者根據研究目的，將靶基因、靶細胞、病毒及細菌進行熒光素酶標記，同時轉入動物體內形成所需的疾病模型，包括腫瘤