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生物發(fā)光:種棵大樹當路燈
閱讀：686 發(fā)布時間：2013-5-13| 提 供 商 | 上海撫生實業(yè)有限公司 | 資料大小 | 28.5KB |
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生物發(fā)光:種棵大樹當路燈
你是否還對電影《阿凡達》中那些發(fā)光植物所營造的奇幻場景記憶猶新？科學家告訴我們，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火樹銀花的景象。
近日，在國家自然科學基金等項目的資助下，中科院生物物理研究所研究員王江云和合作者一起，在蛋白質中光致電子轉移和蛋白質可控熒光標記研究方面獲得重要進展，相關研究近期兩次在德國《應用化學》雜志發(fā)表。這些研究將一步步為我們點亮一個不一樣的世界。
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，這些捕光分子相當于進入激發(fā)態(tài)，此時電子發(fā)生轉移，從而產生電勢差，將光能轉化成生物可利用的化學能，推動光合作用等一些生命過程的進行。”王江云對《中國科學報》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理模擬光合作用。”
生物發(fā)光即生物體自身通過化學反應發(fā)出可見光的現象，它將能量以光的形式釋放，幾乎不產生熱量。研究表明，所有的細胞都能向外輻射電磁波，因此，從某種意義上來說，所有細胞都會發(fā)“光”，只是大多數是肉眼不可見或無法察覺的光。
生物發(fā)光現象看似十分神奇，但在自然界也十分普遍。發(fā)光生物幾乎遍布地球的各個區(qū)域，從極地到熱帶，從海面到海底，地球上，有超過700個屬的生物包含發(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)動物、蛛類，甚至某些真菌都被報道有生物發(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多的一個類群。
“此外，光合作用并非植物的。”王江云說，“動物的光合作用對公眾來講很新奇，其實發(fā)表于《科學》和《自然》上的一些文章已揭示了昆蟲也可進行光合作用，通過光合作用直接從陽光中獲取能量。”
點亮生命的秘密
“電子傳遞（ET）涉及生物體內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現可控的光致電荷分離，是利用合成生物學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展的手段定點插入到綠色熒光蛋白，實現了在熒光蛋白發(fā)光中心至銅離子之間的快速光致電子轉移，并測量到電子轉移發(fā)生在1 納秒之內 （接近光中心的速度）。這些新方法為蛋白動態(tài)構象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學手段可再生能源提供了新的研究思路，為金屬蛋白設計提供了新的工具。
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《應用化學》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。
美國普林斯頓大學教授Haw Yang認為，非天然氨基酸編碼技術對生物物理學—蛋白質研究領域的研究人員將提供一個非常有價值的工具，該團隊發(fā)表的文章“是推動該領域發(fā)展的研究之一，因為使用銅作為淬滅劑，可以極大地拓展基于距離測量的工具包”。
美國馬薩諸塞大學化學與生物化學系教授郭茂林認為，了解生物電子轉移的機制，已被證明是一個具有挑戰(zhàn)性的和復雜的科學問題。……這種基因編碼的策略絕妙的地方在于，它為在活細胞中的蛋白質實時監(jiān)控電子轉移提供了機會，而這將更加精彩。
北京大學教授、生物物理化學家高毅勤說：“光致電子轉移對蛋白質動力學的研究是一個非常有用的工具，但其應用一般限于相對簡單的系統(tǒng)。這項工作很好地將金屬離子螯合氨基酸到蛋白質，從而為蛋白質動力學研究提供了一個新的策略。這樣的方法可能顯著提高PET在蛋白質動力學研究中的適用性。”
王江云等人在蛋白質中光致電子轉移方面取得的進展，為研究生物大分子中的光致電子轉移現象，及利用生物元件實現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成果則通過擴展基因密碼子，實現了具有光點擊活性的非天然氨基酸環(huán)丙烯賴氨酸在哺乳動物中的基因編碼。從而實現了時空可控的對哺乳動物細胞內蛋白特異位點的標記。這一方法為哺乳動物細胞中蛋白時空可控的蛋白標記提供了新的策略和手段。
“通過進一步揭示光致電子轉移的機理，我們希望在不久的將來，能把一些模式生物，如不能進行光合作用的大腸桿菌，轉化成能進行光合作用的生物，這會有很好的應用前景。”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記細胞內組分；從對生物發(fā)光機理的探究，到熒光蛋白種類的開發(fā)，生命的秘密將被一步步點亮。
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