生物發(fā)光技術(shù)研究及其應(yīng)用進展
摘要：
目的：了解生物發(fā)光種類、機理及其在醫(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)的文獻中生物發(fā)光種類、機理及其在上述領(lǐng)域的具體應(yīng)用進行綜述。
結(jié)果：生物發(fā)光有兩類，機理明確，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，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，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(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(xué)領(lǐng)域被廣泛用于致病機理、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。Luker用熒光素酶基因標記牛痘病毒，1h后即可測得細胞內(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記肺癌細胞，并將其接種于嚴重聯(lián)合缺陷小鼠皮下，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(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(chǔ)。通過ETEc標記的GFP熒光可準確、簡單、快速反應(yīng)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(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)用于不同啟動子下外源基因表達強度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究，尤其對低水平表達的調(diào)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(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(zhuǎn)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(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(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(luò)、哺乳動物細胞中蛋白質(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胞骨架的動態(tài)變化、細胞器動力學(xué)和內(nèi)膜系統(tǒng)的運輸、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)、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)光發(fā)光強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。
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，隨著研究的進一步深入，它將在理論研究和實際應(yīng)用中產(chǎn)生更大的價值。
目的：了解生物發(fā)光種類、機理及其在醫(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)的文獻中生物發(fā)光種類、機理及其在上述領(lǐng)域的具體應(yīng)用進行綜述。
結(jié)果：生物發(fā)光有兩類，機理明確，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，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，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(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(xué)領(lǐng)域被廣泛用于致病機理、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。Luker用熒光素酶基因標記牛痘病毒，1h后即可測得細胞內(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記肺癌細胞，并將其接種于嚴重聯(lián)合缺陷小鼠皮下，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(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(chǔ)。通過ETEc標記的GFP熒光可準確、簡單、快速反應(yīng)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(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)用于不同啟動子下外源基因表達強度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究，尤其對低水平表達的調(diào)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(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(zhuǎn)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(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(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(luò)、哺乳動物細胞中蛋白質(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胞骨架的動態(tài)變化、細胞器動力學(xué)和內(nèi)膜系統(tǒng)的運輸、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)、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)光發(fā)光強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。
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，隨著研究的進一步深入，它將在理論研究和實際應(yīng)用中產(chǎn)生更大的價值。
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