自然界生物發(fā)光現(xiàn)象到科研技術之活體成像之路
- 2024-12-06 09:25:05
生物發(fā)光與熒光 活體發(fā)光成像技術主要有生物發(fā)光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術。從定義上看，熒光技術是熒光染料、探針、蛋白（GFP、YFP等）受***定波長的光激發(fā)后，在極短時間內會發(fā)射出波長大于激發(fā)波長的光，這種光稱為熒光。而生物發(fā)光則是依靠酶促反應產(chǎn)生自發(fā)光信號，是化學能轉化為光能，無需激發(fā)光，背景更低，靈敏度更高沒有背景光源干擾。更加適合作為活體成像分析手段。
自然界中存在著數(shù)千種發(fā)光的生物，比如發(fā)光的蘑菇、發(fā)光的海洋生物、發(fā)光的昆蟲等，如我們***熟悉的螢火蟲、水母。
向上滑動閱覽 17世紀 愛爾蘭化學***、物理學***和自然哲學***Robert Boyle發(fā)現(xiàn)了能夠產(chǎn)生微光的腐爛木材，這是關于生物發(fā)光現(xiàn)象的第***份文獻記載的報道。20世紀40年代 約翰霍普金斯大學年輕的生物化學教授William McElroy發(fā)現(xiàn)ATP是生物發(fā)光的能量來源。20世紀70年代中期 喬治亞大學的米爾頓·J·寇米耶（Milton J. Cormier）及普林斯頓大學的下村修和弗蘭克·約翰遜（Frank Johnson）獨立的發(fā)現(xiàn)了海腎熒光素酶(Renilla reniformis)，在氧氣存在的條件下，可以催化腔腸素(Coelenterazine)氧化成Coelenteramide，反應過程無需ATP和鎂離子參與。在Coelenterazine氧化的過程中，會發(fā)出波長為480nm左右的生物熒光(bioluminescence)。 海腎熒光素酶（Renilla）及其底物腔腸素H知識請看 ↓↓↓ 螢火蟲螢光素酶 螢火蟲螢光素酶具備的生物發(fā)光特性、極高的靈敏度和快速簡單的檢測流程等特點，對分子生物學***的研究有重要的影響。 2012 迎來革新性的螢光素酶 NanoLuc Luciferase 的誕生，并成為當年 The Scientist 雜志評選的全球十大創(chuàng)新技術，NanoLuc Luciferase 只有19KD，是目前世界上***亮的螢光素酶。 從17世紀年到21世紀，從生物發(fā)光現(xiàn)象被開始報道，科學***們對生物發(fā)光現(xiàn)象的研究就沒有停止過，生物發(fā)光產(chǎn)品的***直在更新。 目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)3種主要的熒光素酶產(chǎn)品：螢火蟲熒光素酶（Firefly）、海腎熒光素酶（Renilla）及NanoLuc熒光素酶。 Furimazine 小鷺同學***主要介紹的產(chǎn)品是NanoLuc熒光素酶的底物Furimazine。 NanoLuc 螢光素酶為小分子量、非 ATP 依賴型酶，其與呋喃嗪（furimazine，新腔腸素類似物）結合后可產(chǎn)生高強度輝光型發(fā)光信號。NanoLuc 熒光素酶是對深海蝦（Oplophorus gracilirostris）螢光素酶進行工程改造而制得的***種酶，分子量僅為 19.1 kDa，遠小于螢火蟲（Photinus pyralis）和海腎（Renilla reniformis）螢光素酶的分子量。但NanoLuc 螢光素酶所產(chǎn)生的發(fā)光信號強度約是螢火蟲和海腎螢光素酶 100 倍。 Furimazine 是***種咪唑并吡嗪酮類的發(fā)光底物，在活體生物成像中發(fā)揮至關重要的作用。NanoLuc 熒光素酶是***種性能卓越的生物發(fā)光報告基因，它結合底物furimazine可產(chǎn)生高強度、輝光型發(fā)光。例如：在哺乳動物細胞中，NanoLuc 與 Furimazine 聯(lián)用可產(chǎn)生更亮的發(fā)光，比帶有Coelenterazine的 Oluc-19 高 250萬倍。Furimazine在細胞培養(yǎng)基中比Coelenterazine更穩(wěn)定，產(chǎn)生更低的自發(fā)發(fā)光。 Furimazine的應用 # Furimazine在活細胞成像中的應用時幾乎不會對融合伴侶功能產(chǎn)生干擾、曝光時間僅需幾秒鐘、信號可持續(xù)幾小時至幾天。 # Furimazine在小動物活體成像中的應用時會有更明亮的體內信號、更低的毒性、更適合深部的器官等特點。
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