铁路蠕虫发出红光–现在科学家终于知道它是如何工作的

分子结构的差异解释了这种生物发光在不同物种中的不同颜色。这一发现具有新的生物技术应用潜力，例如对肌肉，血液和富含血红蛋白的组织进行成像。

分子结构的差异解释了这种生物发光在不同物种中的不同颜色。这一发现具有新的生物技术应用潜力，例如对肌肉，血液和富含血红蛋白的组织进行成像。

一个由巴西和日本科学家组成的研究小组发现了铁锈蠕虫Phurixothrix hirtus产生的萤光素酶如何发出红光。

萤光素酶是一种催化萤火虫中萤光素的氧化，产生氧化萤光素并使萤火虫发光的酶。分子结构的差异解释了这种生物发光在不同物种中的不同颜色。这一发现具有新的生物技术应用潜力，例如对肌肉，血液和富含血红蛋白的组织进行成像。

发表在《科学报告》上的文章描述了这项研究，该研究由圣保罗州圣卡洛斯联邦大学（UFSCar），巴西国家能源与材料研究中心（CNPEM）附属的国家生物科学实验室（LNBio）进行。日本东京电子通信大学。

巴西研究小组使用了克隆的铁路蠕虫萤光素酶，该酶自然发出红光，并使用了该酶的突变体以及日本研究小组合成的较大的萤光素类似物。

“萤光素酶与萤光素类似物的这种新颖结合，不仅揭示了萤光素酶腔的较大尺寸，而且还更有效地产生了远红光，是生物医学应用的理想选择，涉及对细胞和组织进行成像，最好吸收蓝绿色的光UFSCar（索罗卡巴校区）的教授，该研究的首席研究员瓦迪姆·维维安尼（Vadim Viviani）告诉AgênciaFAPESP。

在以前的研究中，Viviani领导的研究小组表明，萤火虫的萤光素酶是铁路蠕虫的近亲，它们响应试管中酸度的变化，将试管中的萤光灯的颜色从绿色变为红色。中等或重金属的存在。

该小组尚不知道铁路蠕虫荧光素酶是如何自然产生红光的，现在已经表明了这种现象在甲虫中是如何发生的。文章的第一作者Vanessa Rezende Bevilaqua在FAPESP的支持下参加了她的博士研究。

该研究也是FAPESP主题项目“节肢动物生物发光”的一部分。

hirtus P. hirtus原产于美洲，是少数几种会发出红光和绿黄光的动物之一，后者更为常见。在幼虫期，P。hirtus的背面有几个绿色的“灯笼”，头上有一个红色的灯笼。后者帮助甲虫在黑暗中找到自己的路。背面的光源可吓倒食肉动物。

当该物种的雄性成年时，他们会失去红色的灯笼，但保持两个绿色的灯笼。成年女性将它们全部保留。

Viviani说：“我们现已证明，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位点处具有较小的空腔。”“荧光素被压缩到一个更刚性的环境中，导致两个分子（通电的氧化荧光素和荧光素酶活性位点的壁）之间产生静电排斥，释放出包含更多能量的光，因此是绿色或黄色。”

在头部产生红色荧光素酶的情况下，活动部位的腔较大，存在更多的水分子，并且环境的刚性较低，从而导致荧光素与壁荧光素酶之间的静电排斥力降低。活动站点。这就是为什么发出的光是红色的，它包含的能量更少。

生物成像

为了研究导致红光发射的相互作用，研究人员在过去的几十年中学会了通过使用基因工程工具修饰某些氨基酸来克隆各种萤光素酶。

这个由日本电通信大学的平野隆志（Takashi Hirano）领导的日本小组合成了发射红色荧光素的类似物，贝维拉夸用巴西研究小组克隆和修饰的萤火虫和铁路蠕虫荧光素酶对它们进行了测试。

这些修饰的萤光素中的一些具有比其他萤光素更大的结构，并且这些较大的萤光素与铁路蠕虫萤光素酶相互作用最佳，更有效地发射远红光，而它们与绿色或黄色萤光素酶没有有效相互作用。

Viviani说：“催化绿光和黄光的萤光素酶的腔体很小，因此无法与具有很少发光活性的大型结构的萤光素类似物结合。”“另一方面，这些大型类似物与催化红光的萤光素酶相互作用良好。我们由此推断出，铁路蠕虫萤光素酶具有一个能够与类似物结合的大活性位点腔。”

获得了这一结果后，研究人员开始测试萤光素与改良的铁路蠕虫萤光素酶的新组合，最终产生的发光强度比希氏假单胞菌产生的强度更高。他们认为这些组合可以用于生物医学研究。

“由日本小组合成的萤光素类似物并非首创，但具有优势，当将其与来自P. hirtus的萤光素酶专门结合时，具有更多的发光活性和红移光谱的优点。尽管有更多的红移，但市售的类似物效率较低，” Viviani说。

最初的想法是，该发现可用于增强不吸收红光的哺乳动物物质（如血细胞和肌肉组织）中生物化学和细胞过程的可视化。

Viviani说：“当用发出绿，黄或蓝光的常规荧光素酶检查这些物质时，就不可能清楚地看到生化和病理过程，因为诸如血红蛋白和肌红蛋白之类的颜料吸收了色谱中这些部分的大部分光。” 。

参考：Vanessa R. Bevilaqua，T。Matsuhashi，G。Oliveira，PSL Oliveira，T。Hirano′和Vadim R. Viviani撰写的“ Phrixotrix萤光素酶和6-氨基萤光素揭示了更大的萤光素酚盐结合位点，并为生物成像目的提供了新颖的远红组合”。 ，2019年6月21日，《科学报告》。
10.1038 / s41598-019-44534-3