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螢火蟲發光原理的妙用

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
 
 
 
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
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