生物發(fā)光與仿生學(xué)_第1頁
生物發(fā)光與仿生學(xué)_第2頁
生物發(fā)光與仿生學(xué)_第3頁
生物發(fā)光與仿生學(xué)_第4頁
生物發(fā)光與仿生學(xué)_第5頁
已閱讀5頁,還剩21頁未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、生物發(fā)光與仿生學(xué)v 生物世界里說到發(fā)光,人們首先會(huì)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(shí)驗(yàn)室中發(fā)光的現(xiàn)象。它不依賴于有機(jī)體對(duì)光的吸收,而是一種特殊類型的化學(xué)發(fā)光,化學(xué)能轉(zhuǎn)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(jī)制是:由細(xì)胞合成的化學(xué)物質(zhì),在一種特殊酶的作用下,使化學(xué)能轉(zhuǎn)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(jī)體種類繁多。一些細(xì)菌和高等真菌有發(fā)光現(xiàn)象。動(dòng)物界25個(gè)門中,就有13個(gè)門28個(gè)綱的動(dòng)物具有發(fā)光現(xiàn)象,從最簡(jiǎn)單的原生動(dòng)物到低等脊椎動(dòng)物中都有發(fā)光動(dòng)物,如鞭毛蟲、海綿、水螅、海生蠕蟲、海蜘蛛和魚等。動(dòng)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(chǎn)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(shù)發(fā)射藍(lán)光或綠光,少數(shù)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(xì)胞,在發(fā)光細(xì)胞中有兩類化學(xué)物質(zhì),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(yīng),反應(yīng)中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氧化熒光素,當(dāng)氧化熒光素從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)釋放出光子。反應(yīng)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(yīng)效率為95%,甲蟲也因此而不會(huì)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(shí),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(chǎn)生的粘液一齊排入水中,產(chǎn)生淺藍(lán)色的光。發(fā)光機(jī)制包括細(xì)胞內(nèi)發(fā)光和細(xì)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(zhì)。兩者都是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋R蚍懦龅哪芰亢芪?,稱為冷光。節(jié)足動(dòng)物細(xì)菌細(xì)菌它的反應(yīng)機(jī)制與前三種不同。底物在催化循環(huán)中會(huì)形成還原型核黃素磷酸鹽和醛化合物,當(dāng)遇到熒光素酶和氧時(shí),就會(huì)形成一種激發(fā)的絡(luò)合物。絡(luò)合物斷裂時(shí)生成氧化核黃素磷酸鹽、酸、水及一個(gè)光子,波長(zhǎng)47050

4、5納米,光為藍(lán)綠色。腔腸動(dòng)物腔腸動(dòng)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(yīng)。亞門和綱不同,活化反應(yīng)與激發(fā)特性也不同。此類發(fā)光還可以從一個(gè)發(fā)光種傳遞激發(fā)態(tài)能量給另一個(gè)發(fā)光種,即有敏化生物發(fā)光現(xiàn)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(zhǎng)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(gè)過程,蟲熒光素與氧或過氧化物單獨(dú)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(yīng)用活體生物發(fā)光成像技術(shù)v 活體動(dòng)物體內(nèi)光學(xué)成像主要采用生物發(fā)光與熒光(種技術(shù)。生物發(fā)光是用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA,而熒光技術(shù)則采用熒光報(bào)告基團(tuán)進(jìn)行標(biāo)記。

5、利用一套非常靈敏的光學(xué)檢測(cè)儀器,讓研究人員能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和基因行為。通過這個(gè)系統(tǒng),可以觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程。傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法需要在不同的時(shí)間點(diǎn)宰殺實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以獲得數(shù)據(jù)。1. 標(biāo)記細(xì)胞v (1) 癌癥與抗癌藥物研究v 直接快速地測(cè)量各種癌癥模型中腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移,并可對(duì)癌癥治療中癌細(xì)胞的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和評(píng)估。活體生物發(fā)光成像能夠無創(chuàng)傷地定量檢測(cè)小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤。精諾真生物成像技術(shù)提高了檢測(cè)的靈敏度,即使微小的轉(zhuǎn)移灶也能被檢測(cè)到(可以檢測(cè)到體內(nèi)102個(gè)細(xì)胞的微轉(zhuǎn)移)。目前已商品化的腫瘤細(xì)胞株包括:前列

6、腺癌,黑色素瘤,乳腺癌,肺癌,子宮頸癌和結(jié)腸癌等 BiowareTM細(xì)胞系模型。v將熒光素酶標(biāo)記的造血干細(xì)胞移植入脾及骨髓,可用于實(shí)時(shí)觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)干細(xì)胞造血過程的早期事件及動(dòng)力學(xué)變化。有研究表明,應(yīng)用帶有生物發(fā)光標(biāo)記基因的小鼠淋巴細(xì)胞,檢測(cè)放射及化學(xué)藥物治療的效果,尋找在腫瘤骨髓轉(zhuǎn)移及抗腫瘤免疫治療中復(fù)雜的細(xì)胞機(jī)制。應(yīng)用可見光活體成像原理標(biāo)記細(xì)胞,建立動(dòng)物模型,可有效的針對(duì)同一組動(dòng)物進(jìn)行連續(xù)的觀察,節(jié)約動(dòng)物樣品數(shù),同時(shí)能更快捷地得到免疫系統(tǒng)中病原的轉(zhuǎn)移途徑及抗性蛋白表達(dá)的改變。(2) 免疫學(xué)與干細(xì)胞研究v 當(dāng)熒光素酶與抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá),產(chǎn)生的融合蛋白無熒光素酶活性

7、,細(xì)胞不能發(fā)光,而當(dāng)細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí),活化的caspase-3在特異識(shí)別位點(diǎn)切割去掉抑制蛋白,恢復(fù)熒光素酶活性,產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象,由此可用于觀察活體動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞凋亡相關(guān)事件。(3) 細(xì)胞凋亡2. 標(biāo)記病毒標(biāo)記病毒(1) 病毒浸染以熒光素酶基因標(biāo)記的HSV-1病毒為例,可觀察到HSV-1病毒對(duì)肝臟、肺、脾及淋巴結(jié)的侵和病毒從血液系統(tǒng)進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)的過程。多種病毒,腺病毒,腺相關(guān)病毒,慢病毒,乙肝病毒等,已被熒光素酶標(biāo)記,用于觀察病毒對(duì)機(jī)體的侵染過程。(2) 基因治療基因治療包括在體內(nèi)將一個(gè)或多個(gè)感興趣的基因及其產(chǎn)物安全而有效的傳遞到靶細(xì)胞??蓱?yīng)用熒光素酶基因作為報(bào)告基因用于載體的構(gòu)建,觀察目的基因是否

8、能夠在試驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)持續(xù)高效和組織特異性表達(dá)。這種非侵入方式具有容易準(zhǔn)備、低毒性及輕微免疫反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。熒光素酶基因也可以插入脂質(zhì)體包裹的DNA分子中, 用來觀察脂質(zhì)體為載體的DNA運(yùn)輸和基因治療情況。3. 標(biāo)記細(xì)菌v(1) 細(xì)菌浸染研究v可以用標(biāo)記好的革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌侵染活體動(dòng)物, 觀測(cè)其在動(dòng)物體內(nèi)的繁殖部位、數(shù)量變化及對(duì)外界因素的反應(yīng)。v(2) 抗生素藥物v利用標(biāo)記好的細(xì)菌在動(dòng)物體內(nèi)對(duì)藥物的反應(yīng),醫(yī)藥公司和研究機(jī)構(gòu)可用這種成像技術(shù)進(jìn)行藥物篩選和臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。近年來,國(guó)際上大型制藥公司紛紛將精諾真技術(shù)在動(dòng)物體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為FDA(美國(guó)食品和藥品檢驗(yàn)局)藥物申報(bào)材料中非常重要的臨床前動(dòng)

9、物實(shí)驗(yàn)部分。v(1) 組織特異性基因表達(dá)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(shí)別不同的底物, 一種細(xì)胞可被這兩種熒光素酶標(biāo)記: renilla 熒光素酶基因由一組成性穩(wěn)定表達(dá)的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng), 作為內(nèi)參,反應(yīng)細(xì)胞數(shù)量的變化; firefly熒光素酶基因由要研究的組織特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)。這樣firefly熒光素酶發(fā)光信號(hào)的變化,在消除細(xì)胞數(shù)量變化的影響后就可反應(yīng)特定的啟動(dòng)子在動(dòng)物體內(nèi)的表達(dá)活性。v(2) 蛋白質(zhì)相互作用v觀察細(xì)胞中或活體動(dòng)物體內(nèi)兩種蛋白質(zhì)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(dǎo)入細(xì)胞或動(dòng)物體內(nèi)表達(dá)為融合蛋白。當(dāng)兩種蛋白有強(qiáng)相互作用時(shí),表達(dá)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(shí)出現(xiàn)生物發(fā)光,反映出所研究的兩種蛋白存在相互作用。應(yīng)用此原理亦可用于研究細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑。v(3) 阻斷RNAv通過對(duì)比生物發(fā)光的變化,驗(yàn)證在成年小鼠體內(nèi),注射雙鏈siRNA可以特異地阻遏基因表達(dá)。4. 基因表達(dá)和蛋白質(zhì)相互作用v(1) 基因表達(dá)v為研究目的基因是在何時(shí)、何種刺激下表達(dá),將熒光素酶基因插入目的基因啟動(dòng)子的下游,并穩(wěn)定整合于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物染色體中,形成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型。利用其表達(dá)產(chǎn)生的熒光素酶與底物作用產(chǎn)生生物發(fā)光,反應(yīng)目的基因的表達(dá)情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目的基因的研究??捎糜谘芯縿?dòng)物發(fā)育過程中特定基因的時(shí)空表達(dá)情況,觀察藥物誘導(dǎo)特定基因表達(dá),以及其它生物學(xué)事件引起的相應(yīng)基因表達(dá)或關(guān)閉。v(2) 各種疾病模型v研究者根據(jù)研究目的,將靶基因、靶細(xì)胞、病毒及細(xì)菌進(jìn)行熒光素酶標(biāo)記,同時(shí)轉(zhuǎn)入動(dòng)物體內(nèi)形成所需的疾病模型,包括腫瘤

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論