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螢火蟲發光原理的妙用

102/09/23 14417

蔡宗樺｜成功大學生命科學研究所

大家也許都知道，螢火蟲那夢幻的螢光，是雄螢火蟲求偶的信號。但現在螢光除了求偶的功能以外，東京大學大學院理學系研究科的服部滿特任研究員、小澤岳昌教授，以及北海道大學保健科學研究所的尾崎倫孝教授等，利用螢火蟲發光的原理，開發出一種可以長時間且穩定的以人工螢光明滅變化，來監測動物體內pH值的方法。

為什麼要監測動物體內的pH值變化？正常細胞為了讓蛋白質有效率的工作，會自行調節pH值，使之維持在7.2至7.4左右。但如果細胞處於不正常環境中，便無法正常的保持其pH值。目前已知當細胞癌化或呈現低氧狀態時，細胞內pH值會下降，也就是酸性化，而被病毒感染時，pH值也會大幅變化。

在培養細胞中監測細胞內pH值變化很容易，但是在活體動物內測量細胞中的pH值，必須在不破壞細胞，維持存活的狀態下，長時間測量並穩定觀察，這絕不是一件容易的事。目前使用的方法是，利用非螢火蟲的螢光性標識物質─螢光探針，將其滲透進細胞內再從外部照光，藉由放出螢光的波長計算出pH值。然而在活體動物，將很難正確的測得細胞發出的光，而且長時間以光持續照射細胞也會對細胞造成很大的傷害。因此急需一項可以在活體動物內，長時間且穩定監測pH值的技術。

研究團隊利用螢火蟲自體發光的原理，利用產生螢光的「螢光酵素」和禾本科植物燕麥的光受體蛋白質（LOV2），開發出新的螢光探針。由於當藍光照射到 LOV2蛋白質區域時，會使其結構產生變化，停止照射後又會回復成原來的結構，因此研究團隊把來自螢火蟲的螢光酵素前端部分，結合到LOV2蛋白質區域，其後再接上來自甲蟲的突變螢光酵素後端，形成一個融合蛋白。這個融合蛋白，具有如同一般螢光蛋白的發光現象，但是以藍光照射，其發光會暫時減弱，停止照射後會慢慢回復到原來的發光強度。這個新的發光探針被命名為「光去活化螢光酶」。

在酸性環境下，光去活化螢光酶被藍光照射後，其回復到原本發光的時間會產生延遲。也就是說，藉由測量發光回復時間可以監測周圍的pH值。將光去活化螢光酶實際導入活小鼠腳尖皮下，並照光之後，發光現象確實先暫時減弱，然後才回復原本的發光。

這項研究，實現了可在活體動物內長時間穩定監測pH值。從此不用再針對多數發炎或惡性腫瘤，各別研發其標的物質，而是可以期待以光去活化螢光酶的pH值測定法，結合簡便的生物體內異常檢查技術來作檢測。另外有時手術的止血處置，會讓臟器受到酸性壓力而造成損傷，這項技術預期也可應用於分析因這種壓力引起臟器傷害的機制。（本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿）

責任編輯：馬千惠｜德州大學分子遺傳及微生物研究所

資料來源

科学技術振興機構2013年5月21日《人工的に作り出したホタルの光の明滅を使って》

螢火蟲(5) 蛋白質(66) 螢光(6) 科發月刊(5210)

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