生物发光技术研究及其应用进展
[2011/7/2]
摘要：
目的：了解生物发光种类、机理及其在医学、生物科学、食品、环保等领域的应用。
方法：对有关的文献中生物发光种类、机理及其在上述领域的具体应用进行综述。
结果：生物发光有两类，机理明确，应用广泛。
结论：生物发光在很多领域的应用日趋广泛，对其深入了解和研究至关重要。
生物发光是生物发光器在细胞或生物体内发生光能释放反应的过程。本文简要介绍生物发光种类、机理及其在医学、生命科学、食品和环保等领域的应用。
1 种类
生物发光主要有2种：①发生化学或生物学反应后产生的光能信号，主要有含荧光素酶的细菌、真菌、昆虫等;②被激发后产生的光能信号，主要有含荧光蛋白的水母、珊瑚、水螅等。
2 机理
2.1荧光素酶
荧光素酶是生物体内催化荧光素或脂肪醛氧化发光的一类酶的总称。依来源，可分为萤火虫荧光素酶(1uciferasefrom firefly，FL)和细菌荧光素酶(bacterial lucifer_ase，BL)。FL在Mg、ATP、O2的参与下，催化D-荧光素氧化脱羧，产生激活态氧化荧光素，并放出光子，产生550～580nm的荧光。BL以脂肪醛为底物，在还原型黄素单核苷酸及氧的参与下，使脂肪醛在氧化为脂肪酸的同时放出光子，产生490nm的荧光。
2.2 荧光蛋白
荧光蛋白中GFP(green fluorescent protein)研究最清楚。GFP含有的特殊生色团是由蛋白质内部第65-67位丝氨酸、脱氢酪氨酸、甘氨酸自身环化和氧化形成的，用紫外或蓝光激发即能发出肉眼可见的绿色荧光，无需任何底物或辅助因子。
3 应用
生物发光作为一种非放射性、非创伤损害性、高灵敏度、实时动态的检测技术，在医学生物学研究、食品及环境检测等领域应用广泛。
3.1在生物医学研究中的应用
生物发光可对特定细胞或分子行为进行非侵入性连续动态观察，在生物医学领域被广泛用于致病机理、药物机制、新药筛选评价等研究。
荧光素酶被广泛应用于研究病毒感染、复制、治疗。Luker用荧光素酶基因标记牛痘病毒，免疫1h后即可测得细胞内荧光，荧光的变化量直接反映病毒的复制量。王建东利用荧光素酶基因标记肺癌细胞，并将其接种于严重联合免疫缺陷小鼠皮下，成功建立了稳定表达荧光素酶报告基因的肺癌细胞系及异种移植动物模型，为肺癌进展、转移以及药物敏感性等相关研究奠定了基础。
朱红梅用绿色荧光蛋白基因gfp基因标记毒性大肠杆菌(ETEC)，获得了GFP基因表达、遗传稳定的发光标记菌株，为进一步研究ETEC侵染途径及致病机理奠定了基础。通过ETEc标记的GFP荧光可准确、简单、快速反应细菌易位率的变化，为益生素筛选、评价提供依据。
3.2在生物科学研究中的应用
3.2.1在分子生物学中的应用荧光素酶基因广泛应用于不同启动子下外源基因表达强度和转录调控研究，尤其对低水平表达的调控方式有较大意义。姚文娟以荧光素酶基因为报告基因，探讨HBV转导后调节序列(HPRE)的功能元件(α，β1，β2)对INF-α作用的影响，HPRE的功能元件β2与INF-α作用最为密切，而α，β1在INF-α应答中作用甚小。荧光素酶还用于研究植物生理节奏，Mmar曾用萤光酶作报告基因研究拟南芥基因表达节律性。
Ikawa制作了在肌肉、脾、肾、心脏等器官中表达GFP的转基因小鼠，表明GFP可作为胚胎移植前有效的选择标记，对胚胎进行荧光检测可以有选择地培育转基因小鼠，大大提高转基因动物的制作率，减少了胚胎移植的盲目性。单志新以巨噬细胞移动抑制因子基因为研究对象，利用GFP作报告分子筛选出能有效抑制巨噬细胞移动抑制因子基因表达的siRNA。
3.2.2在细胞生物学中的应用
R Paulmurugan应用虫荧光素酶对成肌调节因子和细胞分化抑制因子间强烈的相互作用进行了研究。sung用这种原理把海星荧光素酶进行了剪切与重聚，研究雄激素受体在小鼠中的易位作用。为研究细胞网络、哺乳动物细胞中蛋白质磷酸化提供了一个可靠、快速的方法。
GFP融合蛋白可以观察细胞骨架的动态变化、细胞器动力学和内膜系统的运输、信息转导、病毒的运动和大分子的运输等，Cheng用gfp基因修饰烟草花叶病毒并感染烟草，用激光扫描共聚焦显微镜，观测到病毒维管束浸染路径和积累方式。
3.3监测环境
发光细菌发光强度与某些污染物浓度呈较好的线性关系，能稳定、快速地测定污染物浓度变化。王亚以DiFMI为底物，建立的荧光蛋白磷酸酶抑制法(F_PPIA)检测环境样本中MC结果和HPLC法检测结果相关性较好，作为一种快速检测方法，尤其对大批量、低浓度MC水样的监测有较好的应用前景。于海将发光细菌固定于光纤表面，与光检测系统结合，开发了一种发光细菌光纤传感器，用于水中污染物毒性快速监测和评价具有较好的准确性和灵敏度。
3.4检验食品
3.4.1色素
党亚爱证明17种常用色素对发光细菌均有一定的急性毒性，细菌发光强度与色素毒性呈负相关，发光细菌可简便、快速检测色素口。
3.4.2 致癌物
江敏研究了吲哚、吡啶、喹啉等6种含氮杂环化合物对发光细菌的急性毒性作用。结果表明，发光细菌的相对发光度均随化合物浓度增加而线性降低，具良好相关性。
3.4.2微生物
高岳利用ATP生物发光技术对脱水香菇细菌污染情况进行了快速检测试验L2。结果与标准细菌培养方法有良好相关性，且不需复杂的设备，可用于食品快速筛选和现场检测，是一项值得推广的新技术。
3.4.3检测农药残留
袁东星发现发光细菌发光强度与有机磷农药浓度呈负相关，可用于现场快速检测，稍加改进便可用于食品中多种毒物检测。
4小结与展望
生物发光技术已在生物医学、农产品、环保等领域中发挥重要作用。相信，随着研究的进一步深入，它将在理论研究和实际应用中产生更大的价值。
目的：了解生物发光种类、机理及其在医学、生物科学、食品、环保等领域的应用。
方法：对有关的文献中生物发光种类、机理及其在上述领域的具体应用进行综述。
结果：生物发光有两类，机理明确，应用广泛。
结论：生物发光在很多领域的应用日趋广泛，对其深入了解和研究至关重要。
生物发光是生物发光器在细胞或生物体内发生光能释放反应的过程。本文简要介绍生物发光种类、机理及其在医学、生命科学、食品和环保等领域的应用。
1 种类
生物发光主要有2种：①发生化学或生物学反应后产生的光能信号，主要有含荧光素酶的细菌、真菌、昆虫等;②被激发后产生的光能信号，主要有含荧光蛋白的水母、珊瑚、水螅等。
2 机理
2.1荧光素酶
荧光素酶是生物体内催化荧光素或脂肪醛氧化发光的一类酶的总称。依来源，可分为萤火虫荧光素酶(1uciferasefrom firefly，FL)和细菌荧光素酶(bacterial lucifer_ase，BL)。FL在Mg、ATP、O2的参与下，催化D-荧光素氧化脱羧，产生激活态氧化荧光素，并放出光子，产生550～580nm的荧光。BL以脂肪醛为底物，在还原型黄素单核苷酸及氧的参与下，使脂肪醛在氧化为脂肪酸的同时放出光子，产生490nm的荧光。
2.2 荧光蛋白
荧光蛋白中GFP(green fluorescent protein)研究最清楚。GFP含有的特殊生色团是由蛋白质内部第65-67位丝氨酸、脱氢酪氨酸、甘氨酸自身环化和氧化形成的，用紫外或蓝光激发即能发出肉眼可见的绿色荧光，无需任何底物或辅助因子。
3 应用
生物发光作为一种非放射性、非创伤损害性、高灵敏度、实时动态的检测技术，在医学生物学研究、食品及环境检测等领域应用广泛。
3.1在生物医学研究中的应用
生物发光可对特定细胞或分子行为进行非侵入性连续动态观察，在生物医学领域被广泛用于致病机理、药物机制、新药筛选评价等研究。
荧光素酶被广泛应用于研究病毒感染、复制、治疗。Luker用荧光素酶基因标记牛痘病毒，免疫1h后即可测得细胞内荧光，荧光的变化量直接反映病毒的复制量。王建东利用荧光素酶基因标记肺癌细胞，并将其接种于严重联合免疫缺陷小鼠皮下，成功建立了稳定表达荧光素酶报告基因的肺癌细胞系及异种移植动物模型，为肺癌进展、转移以及药物敏感性等相关研究奠定了基础。
朱红梅用绿色荧光蛋白基因gfp基因标记毒性大肠杆菌(ETEC)，获得了GFP基因表达、遗传稳定的发光标记菌株，为进一步研究ETEC侵染途径及致病机理奠定了基础。通过ETEc标记的GFP荧光可准确、简单、快速反应细菌易位率的变化，为益生素筛选、评价提供依据。
3.2在生物科学研究中的应用
3.2.1在分子生物学中的应用荧光素酶基因广泛应用于不同启动子下外源基因表达强度和转录调控研究，尤其对低水平表达的调控方式有较大意义。姚文娟以荧光素酶基因为报告基因，探讨HBV转导后调节序列(HPRE)的功能元件(α，β1，β2)对INF-α作用的影响，HPRE的功能元件β2与INF-α作用最为密切，而α，β1在INF-α应答中作用甚小。荧光素酶还用于研究植物生理节奏，Mmar曾用萤光酶作报告基因研究拟南芥基因表达节律性。
Ikawa制作了在肌肉、脾、肾、心脏等器官中表达GFP的转基因小鼠，表明GFP可作为胚胎移植前有效的选择标记，对胚胎进行荧光检测可以有选择地培育转基因小鼠，大大提高转基因动物的制作率，减少了胚胎移植的盲目性。单志新以巨噬细胞移动抑制因子基因为研究对象，利用GFP作报告分子筛选出能有效抑制巨噬细胞移动抑制因子基因表达的siRNA。
3.2.2在细胞生物学中的应用
R Paulmurugan应用虫荧光素酶对成肌调节因子和细胞分化抑制因子间强烈的相互作用进行了研究。sung用这种原理把海星荧光素酶进行了剪切与重聚，研究雄激素受体在小鼠中的易位作用。为研究细胞网络、哺乳动物细胞中蛋白质磷酸化提供了一个可靠、快速的方法。
GFP融合蛋白可以观察细胞骨架的动态变化、细胞器动力学和内膜系统的运输、信息转导、病毒的运动和大分子的运输等，Cheng用gfp基因修饰烟草花叶病毒并感染烟草，用激光扫描共聚焦显微镜，观测到病毒维管束浸染路径和积累方式。
3.3监测环境
发光细菌发光强度与某些污染物浓度呈较好的线性关系，能稳定、快速地测定污染物浓度变化。王亚以DiFMI为底物，建立的荧光蛋白磷酸酶抑制法(F_PPIA)检测环境样本中MC结果和HPLC法检测结果相关性较好，作为一种快速检测方法，尤其对大批量、低浓度MC水样的监测有较好的应用前景。于海将发光细菌固定于光纤表面，与光检测系统结合，开发了一种发光细菌光纤传感器，用于水中污染物毒性快速监测和评价具有较好的准确性和灵敏度。
3.4检验食品
3.4.1色素
党亚爱证明17种常用色素对发光细菌均有一定的急性毒性，细菌发光强度与色素毒性呈负相关，发光细菌可简便、快速检测色素口。
3.4.2 致癌物
江敏研究了吲哚、吡啶、喹啉等6种含氮杂环化合物对发光细菌的急性毒性作用。结果表明，发光细菌的相对发光度均随化合物浓度增加而线性降低，具良好相关性。
3.4.2微生物
高岳利用ATP生物发光技术对脱水香菇细菌污染情况进行了快速检测试验L2。结果与标准细菌培养方法有良好相关性，且不需复杂的设备，可用于食品快速筛选和现场检测，是一项值得推广的新技术。
3.4.3检测农药残留
袁东星发现发光细菌发光强度与有机磷农药浓度呈负相关，可用于现场快速检测，稍加改进便可用于食品中多种毒物检测。
4小结与展望
生物发光技术已在生物医学、农产品、环保等领域中发挥重要作用。相信，随着研究的进一步深入，它将在理论研究和实际应用中产生更大的价值。
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