铁路蠕虫发出红光——现在科学家终于知道它是如何工作的了

铁路蠕虫发出红光

分子结构的差异解释了不同物种的这种生物发光的不同颜色。这一发现有可能应用于新的生物技术,如肌肉、血液和富含血红蛋白的组织成像。信用:Léoramos chaves / Revista pesquisa fapesp

分子结构的差异解释了不同物种的这种生物发光的不同颜色。这一发现具有新的生物技术应用的潜力,例如肌肉的成像,血液下组织。

包括巴西和日本科学家的一名研究小组发现了如何通过铁路蠕虫产生的荧光素酶Phroxothrix Hirtus.发出红色的光。

萤光素酶是一种催化萤光素在萤火虫体内氧化,产生氧化萤光素,使萤火虫发光的酶。分子结构的差异解释了不同物种的这种生物发光的不同颜色。这一发现有可能应用于新的生物技术,如肌肉、血液和富含血红蛋白的组织成像。

一篇文章发表科学报告describes the study, which was conducted by researchers at the Federal University of São Carlos (UFSCar) in São Paulo State, the National Bioscience Laboratory (LNBio) attached to Brazil’s National Energy and Materials Research Center (CNPEM), and the University of Electro-Communications in Tokyo, Japan.

巴西的研究小组使用了克隆铁路蠕虫荧光素酶,这种酶会自然发出红光,还有这种酶的突变体,以及日本研究小组合成的一种更大的荧光素类似物。

“这部小说结合荧光素的荧光素酶模拟不仅揭示了大空腔的荧光素酶还远红光更有效地生产和是理想的生物医学应用程序涉及成像最好吸收的蓝绿色光的细胞和组织,如哺乳动物细胞,”瓦迪姆Viviani, UFSCar教授(索罗卡巴校园),这项研究的主要负责人,告诉FAPESP,必须占州政府通讯社的记者

在先前的研究中,由Viviani领导的小组显示来自萤火虫的荧光素酶,这是铁路蠕虫的近亲,改变了它们在试管中从绿色排放到红色的光的颜色,以应对酸度的变化培养基或重金属的存在。

然而,研究小组还不知道铁路蠕虫荧光素酶是如何自然产生红光的,现在他们已经展示了这种现象是如何在这种甲虫身上发生的。这篇文章的第一作者Vanessa Rezende Bevilaqua在FAPESP的支持下参与了她的博士研究。

该研究也是FAPESP专题项目“节肢动物生物发光。”

P. Hirtus.它原产于美洲,是已知的少数能发出红光和更常见的黄绿色光的动物之一。在幼虫阶段,P. Hirtus.背上有几个绿色的“灯笼”,头上有一个红色的“灯笼”。后者帮助甲虫在黑暗中找到路。它背上的光源用来吓唬捕食者。

当雄性成年后,它们失去了红色的灯笼,但保留了两个绿色的灯笼。成年雌鱼全部保留。

“我们现在已经证明,黄绿色荧光素酶在荧光素结合并被氧化为氧化荧光素的活性部位有一个较小的腔体,”Viviani说。“荧光素被压缩到一个更严格的环境中,导致两个分子之间的静电斥力[激活的氧荧光素和荧光素酶活性部位的细胞壁],释放含有更多能量的光,因此是绿色或黄色的。“

在头部产生红色荧光素酶的情况下,活性位点空腔较大,存在的水分子较多,环境刚性较差,导致荧光素与荧光素酶活性位点壁面之间的静电斥力减弱。这就是为什么发出的光是红色的,因为红色含有较少的能量。

Bioimaging

为了调查导致红灯排放的相互作用,研究人员在过去的几十年里学到了通过使用基因工程工具来修改一些葡萄糖酶来克隆各种荧光素酶


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸。

由Takashi Hirano领导的电子通信大学领导的日本集团合成红发光荧光素类似物,由Bevilaqua用萤火虫和铁路蠕虫荧光素酶进行测试,并由巴西研究组克隆和修改。

这些改性的荧光素中的一些结构比其他的结构更大,并且这些较大的荧光素最佳地与铁路蠕虫荧光素酶相互作用,更有效地发射远红光,而它们没有用绿色或黄色荧光素酶有效地相互作用。

“催化绿色和黄光的荧光素酶具有小腔,因此不要与大结构荧光素类似物结合,这具有很少的发光活性,”Viviani说。“另一方面,这些大型类似物与催化红光的荧光素酶相互作用。我们推断出来,铁路蠕虫荧光素酶具有能够与类似物结合的大型有源部位腔。“

研究人员达成了这一结果,开始使用改性的铁路蠕虫荧光素酶测试荧光素的新组合,最终产生比由生产的更强烈的红光P. Hirtus.。他们认为这种组合可以用于生物医学研究。

“日本组合成的荧光素类似物不是首先要创造的,但是当它们与荧光素酶合并时,提供更多的发光活性和红移光谱的优点P. Hirtus.。商用的类似物虽然更红移,但效率较低。

最初,该想法是该发现可用于增强哺乳动物物质中的生物化学和细胞过程的可视化,这些物质不吸收红光,例如血细胞和肌肉组织。

“When these substances are examined with conventional luciferase that emits green, yellow or blue light, it’s impossible to see biochemical and pathological processes clearly because pigments such as hemoglobin and myoglobin absorb most of the light in these parts of the chromatic spectrum,” Viviani said.

参考: ”Phrixotrix“荧光素酶和6’-氨基荧光素显示更大的荧光素酚结合位点,并提供用于生物成像目的的新型远红组合”科学报告
DOI: 10.1038 / s41598 - 019 - 44534 - 3