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生物發(fā)光:種棵大樹當(dāng)路燈
閱讀：663 發(fā)布時(shí)間：2013-5-13| 提 供 商 | 上海撫生實(shí)業(yè)有限公司 | 資料大小 | 28.5KB |
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生物發(fā)光:種棵大樹當(dāng)路燈
你是否還對(duì)電影《阿凡達(dá)》中那些發(fā)光植物所營造的奇幻場(chǎng)景記憶猶新？科學(xué)家告訴我們，如果發(fā)光生物的謎底zui終被解開，人類真的能培育出發(fā)光樹，讓它無需供電即可呈現(xiàn)火樹銀花的景象。
近日，在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，中科院生物物理研究所研究員王江云和合作者一起，在蛋白質(zhì)中光致電子轉(zhuǎn)移和蛋白質(zhì)可控?zé)晒鈽?biāo)記研究方面獲得重要進(jìn)展，相關(guān)研究近期兩次在德國《應(yīng)用化學(xué)》雜志發(fā)表。這些研究將一步步為我們點(diǎn)亮一個(gè)不一樣的世界。
神奇的生物發(fā)光
“地球生命能量的來源都是太陽光，光被生物體的捕光分子捕獲后，這些捕光分子相當(dāng)于進(jìn)入激發(fā)態(tài)，此時(shí)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，將光能轉(zhuǎn)化成生物可利用的化學(xué)能，推動(dòng)光合作用等一些生命過程的進(jìn)行。”王江云對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》記者說，“我們也可以利用一些熒光蛋白作為光感受器，甚至可以利用這一機(jī)理模擬光合作用。”
生物發(fā)光即生物體自身通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)出可見光的現(xiàn)象，它將能量以光的形式釋放，幾乎不產(chǎn)生熱量。研究表明，所有的細(xì)胞都能向外輻射電磁波，因此，從某種意義上來說，所有細(xì)胞都會(huì)發(fā)“光”，只是大多數(shù)是肉眼不可見或無法察覺的光。
生物發(fā)光現(xiàn)象看似十分神奇，但在自然界也十分普遍。發(fā)光生物幾乎遍布地球的各個(gè)區(qū)域，從極地到熱帶，從海面到海底，地球上，有超過700個(gè)屬的生物包含發(fā)光的種類，其中80%是海洋生物。非海洋生物的發(fā)光現(xiàn)象分布較少，但發(fā)光顏色卻更加豐富。zui為人熟知的陸上發(fā)光生物是螢火蟲。其他的昆蟲及其幼蟲、環(huán)節(jié)動(dòng)物、蛛類，甚至某些真菌都被報(bào)道有生物發(fā)光能力。在深海中，大約有90%的生物有發(fā)光的能力，其中，櫛水母是含有發(fā)光種類zui多的一個(gè)類群。
“此外，光合作用并非植物的。”王江云說，“動(dòng)物的光合作用對(duì)公眾來講很新奇，其實(shí)發(fā)表于《科學(xué)》和《自然》上的一些文章已揭示了昆蟲也可進(jìn)行光合作用，通過光合作用直接從陽光中獲取能量。”
點(diǎn)亮生命的秘密
“電子傳遞（ET）涉及生物體內(nèi)許多重要的生化過程，包括光合作用等。如何改造生物元件實(shí)現(xiàn)可控的光致電荷分離，是利用合成生物學(xué)手段可再生能源的重要問題和主要瓶頸。”王江云說。
研究人員將具有金屬螯合能力的非天然氨基酸通過基因密碼子擴(kuò)展的手段定點(diǎn)插入到綠色熒光蛋白，實(shí)現(xiàn)了在熒光蛋白發(fā)光中心至銅離子之間的快速光致電子轉(zhuǎn)移，并測(cè)量到電子轉(zhuǎn)移發(fā)生在1 納秒之內(nèi) （接近光中心的速度）。這些新方法為蛋白動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學(xué)手段可再生能源提供了新的研究思路，為金屬蛋白設(shè)計(jì)提供了新的工具。
在王江云和合作者——中科院生物物理研究所研究員龔為民研究組發(fā)表在德國《應(yīng)用化學(xué)》雜志的論文中，還提出了水母綠色熒光蛋白可能是水母的光感受器的新觀點(diǎn)。
美國普林斯頓大學(xué)教授Haw Yang認(rèn)為，非天然氨基酸編碼技術(shù)對(duì)生物物理學(xué)—蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的研究人員將提供一個(gè)非常有價(jià)值的工具，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文章“是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的研究之一，因?yàn)槭褂勉~作為淬滅劑，可以極大地拓展基于距離測(cè)量的工具包”。
美國馬薩諸塞大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系教授郭茂林認(rèn)為，了解生物電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制，已被證明是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的和復(fù)雜的科學(xué)問題。……這種基因編碼的策略絕妙的地方在于，它為在活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控電子轉(zhuǎn)移提供了機(jī)會(huì)，而這將更加精彩。
北京大學(xué)教授、生物物理化學(xué)家高毅勤說：“光致電子轉(zhuǎn)移對(duì)蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的研究是一個(gè)非常有用的工具，但其應(yīng)用一般限于相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。這項(xiàng)工作很好地將金屬離子螯合氨基酸到蛋白質(zhì)，從而為蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究提供了一個(gè)新的策略。這樣的方法可能顯著提高PET在蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究中的適用性。”
王江云等人在蛋白質(zhì)中光致電子轉(zhuǎn)移方面取得的進(jìn)展，為研究生物大分子中的光致電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，及利用生物元件實(shí)現(xiàn)可控光致電荷分離提供了有力的工具。而王江云研究組和林慶研究組的另一項(xiàng)成果則通過擴(kuò)展基因密碼子，實(shí)現(xiàn)了具有光點(diǎn)擊活性的非天然氨基酸環(huán)丙烯賴氨酸在哺乳動(dòng)物中的基因編碼。從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)空可控的對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)蛋白特異位點(diǎn)的標(biāo)記。這一方法為哺乳動(dòng)物細(xì)胞中蛋白時(shí)空可控的蛋白標(biāo)記提供了新的策略和手段。
“通過進(jìn)一步揭示光致電子轉(zhuǎn)移的機(jī)理，我們希望在不久的將來，能把一些模式生物，如不能進(jìn)行光合作用的大腸桿菌，轉(zhuǎn)化成能進(jìn)行光合作用的生物，這會(huì)有很好的應(yīng)用前景。”王江云說。
從用發(fā)光生物作為zui原始的照明工具，到利用綠色熒光蛋白標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)組分；從對(duì)生物發(fā)光機(jī)理的探究，到熒光蛋白種類的開發(fā)，生命的秘密將被一步步點(diǎn)亮。
生物發(fā)光:種棵大樹當(dāng)路燈