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關(guān)于熒光素和熒光素酶的一切

在科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，熒光素和熒光素酶這兩個術(shù)語可能已經(jīng)司空見慣了幾十年。

 

這兩個詞的根源都在歷史中，有時會引發(fā)懷疑。 為什么叫熒光素？這個問題和其他問題的答案需要一些科學(xué)知識和一些拉丁語才能回答。

 

螢光素酶是一種酶，當(dāng)它存在氧氣和稱為螢光素的天然底物時，它會催化產(chǎn)生光的生化反應(yīng)。由于發(fā)光現(xiàn)象，熒光素酶-熒光素酶-底物組合是自然界最常見的生物發(fā)光形式的基礎(chǔ)。

生物LUM inescence是術(shù)語，指生物體的基于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光（注意，“LUM"強調(diào)在以*能力LUM inate）。把事情放在現(xiàn)實世界的背景下，一種非常熟悉的生物發(fā)光生物是螢火蟲。

 

這種酶-底物反應(yīng)是一種生化反應(yīng)，使某些生物體能夠產(chǎn)生光。這種光的波長最終決定了光的顏色，取決于所使用的熒光素/熒光素酶的類型以及發(fā)出它的生物體的類型。對于螢火蟲，發(fā)射光的波長為 560 納米 (nm)，產(chǎn)生黃綠色光。

圖 1. 生物發(fā)光生物和產(chǎn)生的波長（淺色）。

什么是酶和底物？

在我們深入研究之前，讓我們快速概述一下酶是什么以及底物是什么。

 

酶是催化或加速化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。底物是酶作用的底物。

 

底物與酶的特定區(qū)域結(jié)合，稱為活性位點。當(dāng)?shù)孜锱c活性位點結(jié)合時，酶會使底物中的化學(xué)鍵減弱，從而使化學(xué)反應(yīng)成為可能。

螢光素和螢光素酶這兩個名字是怎么回事？

螢光素和螢光素酶名稱背后的基礎(chǔ)源于拉丁語，并且都與光的詞根有關(guān)。

 

拉丁語中的光是勒克斯。然而，在拉丁語中，名詞、代詞和形容詞有一種叫做變格的東西。變格是一個詞（名詞、代詞或形容詞）根據(jù)其用法的變體。

 

當(dāng)其中任何一個變成復(fù)數(shù)時，變化就會改變。

 

當(dāng)然，這與英語和西班牙語有很大不同。但是讓我們看看這一切在拉丁語中的勒克斯或光意味著什么。

一旦您查看圖表，即使您不太了解拉丁語（沒關(guān)系），您也會開始看到單詞light在拉丁語中的變化如何導(dǎo)致有關(guān) light 的單詞具有根luci在他們身上。

 

當(dāng)涉及到luci的FER在，字特別涉及軸承（Ferre的）光，或光軸承。

考慮一只螢火蟲，它的燈籠會發(fā)光，或者生物發(fā)光的浮游生物在受到干擾時會發(fā)光。在了解生物發(fā)光中產(chǎn)生光的化學(xué)基礎(chǔ)時，科學(xué)家們確定并命名了真正負責(zé)產(chǎn)生光的化學(xué)物質(zhì)。

熒光素和熒光素酶如何用于研究

有趣的動物現(xiàn)象啟發(fā)了人類。鳥類飛行的特性激發(fā)了人類的飛行。貼紙種子上的毛刺促成了魔術(shù)貼的創(chuàng)新。同樣，生物發(fā)光的特性也激發(fā)了大量的創(chuàng)新。

 

使用生物發(fā)光科學(xué)的最顯著的研究領(lǐng)域之一是癌癥研究。

 

幸運的是，在此過程中沒有螢火蟲或海洋生物受到傷害。相反，研究人員合成了這些化學(xué)物質(zhì)。然后他們能夠使用反應(yīng)的光發(fā)射來可視化腫瘤。

 

在開發(fā)用于癌癥治療的潛在藥物時，可視化腫瘤生長或縮小非常重要。

使用螢光素的好處是它對動物沒有侵入性和無毒。您不必通過手術(shù)切除腫瘤以使其可視化。

 

這意味著在給定的治療過程中，科學(xué)家可以使用專門的設(shè)備讀取目標區(qū)域的光輸出，以查看它隨時間的變化。因此，螢光素和螢光素酶在幕后的模式生物體內(nèi)起作用。

 

螢光素酶-螢光素系統(tǒng)在研究中的應(yīng)用還有很多其他方式。科學(xué)家們已經(jīng)使用這種生物發(fā)光系統(tǒng)來評估環(huán)境毒性、治療效果、觀察蛋白質(zhì)相互作用和鏈反應(yīng)以及病毒研究，僅舉幾例。

 

但是在疫苗方面呢？疫苗中是否使用熒光素或熒光素酶？

熒光素和熒光素酶不用于疫苗，但它們有助于背景研究……

螢光素酶及其底物螢光素未直接用于疫苗（例如流感、麻疹或疫苗）。它們也不是疫苗中使用的其他產(chǎn)品的中間成分。

 

考慮一下你的手電筒。在黑暗的空間或漆黑的夜晚，這是您用來發(fā)光的工具，以便您可以看到環(huán)境中的選定區(qū)域。它可以防止您絆倒，并幫助您確定您正在尋找的非常具體的東西。

 

 

熒光素被比作手電筒。 兩者都可以讓您看到非常具體的東西。 兩者都在黑暗中發(fā)光。

將熒光素的使用與手電筒工具進行比較的動畫。在面板 B 中，當(dāng)植物被觸摸時，研究人員可以研究隨后發(fā)生在植物內(nèi)的事件信號鏈。實時地，在不犧牲植物的情況下，科學(xué)家們看到整個植物的基因在被觸摸時被打開。就像手電筒（圖 A）一樣，螢光素-螢光素酶系統(tǒng)可以幫助科學(xué)家看到特定的事物或事件。

 

對于研究人員來說，這正是熒光素-熒光素酶反應(yīng)的意義所在。這是一個讓他們看到非常具體的東西的工具。

 

從這個意義上說，熒光素或熒光素酶沒有理由直接用于疫苗中，或用于生產(chǎn)疫苗的成分。

 

另外，我們還要補充一點，目前光可視化需要大型設(shè)備，而人體太大，光發(fā)射無法穿透，這意味著科學(xué)家們看不到人的任何東西。

 

然而，酶和底物確實讓研究人員在開發(fā)疫苗時研究特定事件。例如，它可以在測試疫苗的有效性后用于診斷。然而，功效測試將在小細胞培養(yǎng)研究或小動物研究中進行。

 

熒光素還可用于觀察病毒感染的程度，并查看感染了哪些細胞（Garcia-Beltran, et. al., 2021）。

 

雖然任何特定的疫苗都可能提到熒光素和熒光素酶，但它們的使用上下文要么是引用與其研究背景相關(guān)的研究論文，要么是驗證疫苗的各個方面（例如使用手電筒查看）。用于研究方面的酶和底物總是從最終生產(chǎn)產(chǎn)品中去除，永遠不會在疫苗中發(fā)現(xiàn)。

 

 

使用熒光素的有趣研究

談到生物技術(shù)中的生物發(fā)光，研究人員確實進行了創(chuàng)新。

 

例如，發(fā)光植物項目是一個眾籌的科學(xué)項目，其目標是制造能夠使用熒光素和熒光素酶發(fā)光的植物。

 

雖然這可能看起來很新奇，但遠大的愿景是一個可以用發(fā)光的樹木代替路燈的世界——在某種程度上，這會回饋我們的生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)然，我們也承認這一愿景可能會導(dǎo)致一些沖突，而這些沖突可能無法使該愿景*實用。

 

生物發(fā)光也對神經(jīng)科學(xué)做出了貢獻，尤其是在光遺傳學(xué)方面。光遺傳學(xué)使用特殊的光敏蛋白質(zhì)和光使研究人員能夠監(jiān)測大腦活動的過程。

 

通常，用于光遺傳學(xué)的光是由儀器提供的，這在體內(nèi)研究（在活的有機體中）有局限性。這就是熒光素和熒光素酶可以提供幫助的地方。螢光素酶基因與稱為視蛋白的蛋白質(zhì)配對以充當(dāng)光源（Berglund & Stern，2021 年；Tung、Gutekunst & Gross，2015 年）。目前，將生物發(fā)光用于光遺傳學(xué)正在為癲癇和中風(fēng)的研究以及其他研究做出貢獻。

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