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生物發(fā)光技術研究及其應用進展

[2011/7/2]

　　摘要：

　　目的：了解生物發(fā)光種類、機理及其在醫(yī)學、生物科學、食品、環(huán)保等領域的應用。

　　方法：對有關的文獻中生物發(fā)光種類、機理及其在上述領域的具體應用進行綜述。

　　結果：生物發(fā)光有兩類，機理明確，應用廣泛。

　　結論：生物發(fā)光在很多領域的應用日趨廣泛，對其深入了解和研究至關重要。

　　生物發(fā)光是生物發(fā)光器在細胞或生物體內發(fā)生光能釋放反應的過程。本文簡要介紹生物發(fā)光種類、機理及其在醫(yī)學、生命科學、食品和環(huán)保等領域的應用。

　　1 種類

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

　　2 機理

　　2.1熒光素酶

　　熒光素酶是生物體內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，產生激活態(tài)氧化熒光素，并放出光子，產生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含有的特殊生色團是由蛋白質內部第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、實時動態(tài)的檢測技術，在醫(yī)學生物學研究、食品及環(huán)境檢測等領域應用廣泛。

　　3.1在生物醫(yī)學研究中的應用

　　生物發(fā)光可對特定細胞或分子行為進行非侵入性連續(xù)動態(tài)觀察，在生物醫(yī)學領域被廣泛用于致病機理、藥物機制、新藥篩選評價等研究。

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

　　朱紅梅用綠色熒光蛋白基因gfp基因標記毒性大腸桿菌(ETEC)，獲得了GFP基因表達、遺傳穩(wěn)定的發(fā)光標記菌株，為進一步研究ETEC侵染途徑及致病機理奠定了基礎。通過ETEc標記的GFP熒光可準確、簡單、快速反應細菌易位率的變化，為益生素篩選、評價提供依據(jù)。

　　3.2在生物科學研究中的應用

　　3.2.1在分子生物學中的應用熒光素酶基因廣泛應用于不同啟動子下外源基因表達強度和轉錄調控研究，尤其對低水平表達的調控方式有較大意義。姚文娟以熒光素酶基因為報告基因，探討HBV轉導后調節(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節(jié)律性。

　　Ikawa制作了在肌肉、脾、腎、心臟等器官中表達GFP的轉基因小鼠，表明GFP可作為胚胎移植前有效的選擇標記，對胚胎進行熒光檢測可以有選擇地培育轉基因小鼠，大大提高轉基因動物的制作率，減少了胚胎移植的盲目性。單志新以巨噬細胞移動抑制因子基因為研究對象，利用GFP作報告分子篩選出能有效抑制巨噬細胞移動抑制因子基因表達的siRNA。

　　3.2.2在細胞生物學中的應用

　　R Paulmurugan應用蟲熒光素酶對成肌調節(jié)因子和細胞分化抑制因子間強烈的相互作用進行了研究。sung用這種原理把海星熒光素酶進行了剪切與重聚，研究雄激素受體在小鼠中的易位作用。為研究細胞網(wǎng)絡、哺乳動物細胞中蛋白質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胞骨架的動態(tài)變化、細胞器動力學和內膜系統(tǒng)的運輸、信息轉導、病毒的運動和大分子的運輸?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)光細菌發(fā)光強度與某些污染物濃度呈較好的線性關系，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結果和HPLC法檢測結果相關性較好，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)測有較好的應用前景。于海將發(fā)光細菌固定于光纖表面，與光檢測系統(tǒng)結合，開發(fā)了一種發(fā)光細菌光纖傳感器，用于水中污染物毒性快速監(jiān)測和評價具有較好的準確性和靈敏度。

　　3.4檢驗食品

　　3.4.1色素

　　黨亞愛證明17種常用色素對發(fā)光細菌均有一定的急性毒性，細菌發(fā)光強度與色素毒性呈負相關，發(fā)光細菌可簡便、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)光細菌的急性毒性作用。結果表明，發(fā)光細菌的相對發(fā)光度均隨化合物濃度增加而線性降低，具良好相關性。

　　3.4.2微生物

　　高岳利用ATP生物發(fā)光技術對脫水香菇細菌污染情況進行了快速檢測試驗L2。結果與標準細菌培養(yǎng)方法有良好相關性，且不需復雜的設備，可用于食品快速篩選和現(xiàn)場檢測，是一項值得推廣的新技術。

　　3.4.3檢測農藥殘留

　　袁東星發(fā)現(xiàn)發(fā)光細菌發(fā)光強度與有機磷農藥濃度呈負相關，可用于現(xiàn)場快速檢測，稍加改進便可用于食品中多種毒物檢測。

　　4小結與展望

　　生物發(fā)光技術已在生物醫(yī)學、農產品、環(huán)保等領域中發(fā)揮重要作用。相信，隨著研究的進一步深入，它將在理論研究和實際應用中產生更大的價值。