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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(gè)術(shù)語(yǔ)可能已經(jīng)司空見(jiàn)慣了幾十年。

這兩個(gè)詞的根源都在歷史中，有時(shí)會(huì)引發(fā)懷疑。 為什么叫熒光素？這個(gè)問(wèn)題和其他問(wèn)題的答案需要一些科學(xué)知識(shí)和一些拉丁語(yǔ)才能回答。

螢光素酶是一種酶，當(dāng)它存在氧氣和稱(chēng)為螢光素的天然底物時(shí)，它會(huì)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(jiàn)的生物發(fā)光形式的基礎(chǔ)。

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

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(zhǎng)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(lèi)型以及發(fā)出它的生物體的類(lèi)型。對(duì)于螢火蟲(chóng)，發(fā)射光的波長(zhǎng)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(zhǎng)（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(chēng)為活性位點(diǎn)。當(dāng)?shù)孜锱c活性位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，酶會(huì)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(gè)名字是怎么回事？

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

拉丁語(yǔ)中的光是勒克斯。然而，在拉丁語(yǔ)中，名詞、代詞和形容詞有一種叫做變格的東西。變格是一個(gè)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(gè)變成復(fù)數(shù)時(shí)，變化就會(huì)改變。

當(dāng)然，這與英語(yǔ)和西班牙語(yǔ)有很大不同。但是讓我們看看這一切在拉丁語(yǔ)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(yǔ)（沒(méi)關(guān)系），您也會(huì)開(kāi)始看到單詞light在拉丁語(yǔ)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(chóng)，它的燈籠會(huì)發(fā)光，或者生物發(fā)光的浮游生物在受到干擾時(shí)會(huì)發(fā)光。在了解生物發(fā)光中產(chǎn)生光的化學(xué)基礎(chǔ)時(shí)，科學(xué)家們確定并命名了真正負(fù)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(dòng)物現(xiàn)象啟發(fā)了人類(lèi)。鳥(niǎo)類(lèi)飛行的特性激發(fā)了人類(lèi)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(yùn)的是，在此過(guò)程中沒(méi)有螢火蟲(chóng)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(lái)可視化腫瘤。

在開(kāi)發(fā)用于癌癥治療的潛在藥物時(shí)，可視化腫瘤生長(zhǎng)或縮小非常重要。

使用螢光素的好處是它對(duì)動(dòng)物沒(méi)有侵入性和無(wú)毒。您不必通過(guò)手術(shù)切除腫瘤以使其可視化。

這意味著在給定的治療過(guò)程中，科學(xué)家可以使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備讀取目標(biāo)區(qū)域的光輸出，以查看它隨時(shí)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(lái)評(píng)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(lái)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(jìn)行比較的動(dòng)畫(huà)。在面板 B 中，當(dāng)植物被觸摸時(shí)，研究人員可以研究隨后發(fā)生在植物內(nèi)的事件信號(hào)鏈。實(shí)時(shí)地，在不犧牲植物的情況下，科學(xué)家們看到整個(gè)植物的基因在被觸摸時(shí)被打開(kāi)。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(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，這正是熒光素-熒光素酶反應(yīng)的意義所在。這是一個(gè)讓他們看到非常具體的東西的工具。

從這個(gè)意義上說(shuō)，熒光素或熒光素酶沒(méi)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(bǔ)充一點(diǎn)，目前光可視化需要大型設(shè)備，而人體太大，光發(fā)射無(wú)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(shí)讓研究人員在開(kāi)發(fā)疫苗時(shí)研究特定事件。例如，它可以在測(cè)試疫苗的有效性后用于診斷。然而，功效測(cè)試將在小細(xì)胞培養(yǎng)研究或小動(dòng)物研究中進(jìn)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(xì)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(yàn)證疫苗的各個(gè)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(yuǎn)不會(huì)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(shí)進(jìn)行了創(chuàng)新。

例如，發(fā)光植物項(xiàng)目是一個(gè)眾籌的科學(xué)項(xiàng)目，其目標(biāo)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(lái)很新奇，但遠(yuǎn)大的愿景是一個(gè)可以用發(fā)光的樹(shù)木代替路燈的世界——在某種程度上，這會(huì)回饋我們的生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)然，我們也承認(rèn)這一愿景可能會(huì)導(dǎo)致一些沖突，而這些沖突可能無(wú)法使該愿景*實(shí)用。

生物發(fā)光也對(duì)神經(jīng)科學(xué)做出了貢獻(xiàn)，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(cè)大腦活動(dòng)的過(guò)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(jī)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(chēng)為視蛋白的蛋白質(zhì)配對(duì)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(xiàn)。

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