楊金龍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,合肥230026)

探索螢火魷發(fā)光的微觀機(jī)理，揭示生物發(fā)光的奧秘

楊金龍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,合肥230026)

在科幻電影《阿凡達(dá)》中，潘多拉星球上美輪美奐的發(fā)光生物給觀眾留下了深刻的印象。導(dǎo)演卡梅隆的想象力無疑來自于地球上的生物發(fā)光(biolum inescence)現(xiàn)象。無論是詩句“銀燭秋光冷畫屏，輕羅小扇撲流螢”，還是世界各地的熒光海灘，都是普通大眾所感受到的生物發(fā)光現(xiàn)象。

生物發(fā)光是活體生物通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生可見光的現(xiàn)象，是一種特殊類型的化學(xué)發(fā)光。目前已發(fā)現(xiàn)多達(dá)17個(gè)門中700多個(gè)屬的生物物種具有發(fā)射可見光的能力1,2。雖然發(fā)光生物多種多樣，其發(fā)光體系獨(dú)立進(jìn)化，但從分子水平而言，所有生物發(fā)光都產(chǎn)生于熒光素酶(luciferase)催化的熒光素(luciferin)分子和氧氣分子的化學(xué)反應(yīng)。除了熒光素、熒光素酶和氧氣外，多數(shù)發(fā)光生物還需要其它一種或多種因素的參與，在條件合適的情況下經(jīng)過多步復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)才可以發(fā)光2。不同的發(fā)光生物具有不同結(jié)構(gòu)的熒光素和熒光素酶，其它必須的因素和條件也相差迥異。由于生物發(fā)光化學(xué)過程極其復(fù)雜，絕大多數(shù)生物發(fā)光現(xiàn)象還處于被觀察和粗淺了解的狀態(tài)。盡管生物發(fā)光研究獲得2008年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，盡管有幾種生物發(fā)光已經(jīng)被應(yīng)用到快速分析食品污染、基因調(diào)控和體內(nèi)成像1，然而絕大多數(shù)生物發(fā)光的機(jī)制遠(yuǎn)未被搞清楚，特別是在分子和電子態(tài)水平的機(jī)理解釋一直是困擾生物學(xué)家和化學(xué)家的難題。

理論化學(xué)對(duì)于機(jī)制的研究有著實(shí)驗(yàn)無法替代的優(yōu)勢(shì)。多尺度模擬方法的發(fā)展對(duì)復(fù)雜體系特別是生物體系的理論研究起到了推動(dòng)作用。北京師范大學(xué)劉亞軍教授課題組是國(guó)際上最早開展生物發(fā)光理論計(jì)算和模擬的課題組之一。該課題組從2005年逐次開始研究螢火蟲3－5、水母6、藪枝螅7、細(xì)菌8,9和海螢10的生物發(fā)光。目前已清晰地闡明了這幾種生物發(fā)光的化學(xué)起源和機(jī)理。相關(guān)研究成果引起了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，科技新聞網(wǎng)PhysOrg.com曾報(bào)道了他們的部分研究?jī)?nèi)容11。最近該課題組首次對(duì)一種深海熒光魷魚(Watasenia scintillans，俗稱螢火魷)的發(fā)光機(jī)制進(jìn)行了理論研究。相關(guān)成果近期發(fā)表于Journal of the American Chem ical Society雜志上12。對(duì)螢火魷產(chǎn)生深藍(lán)色光所經(jīng)歷的一系列化學(xué)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o出的信息非常少。Tsuji曾基于有限的實(shí)驗(yàn)證據(jù)建議了螢火魷發(fā)光過程的幾個(gè)階段13。這個(gè)缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論支持的粗略假設(shè)在產(chǎn)生光過程中的兩個(gè)最關(guān)鍵步驟更是模糊不清。這兩個(gè)關(guān)鍵步驟是熒光素分子的氧化反應(yīng)和生成發(fā)光體的反應(yīng)。通過可靠的量子化學(xué)計(jì)算、經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬和非絕熱分子動(dòng)力學(xué)模擬，基于能量學(xué)、電子轉(zhuǎn)移過程和電子結(jié)構(gòu)等分析，理論研究提供了這兩個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)的細(xì)節(jié)，指出熒光素分子氧化反應(yīng)由單電子轉(zhuǎn)移(SET)機(jī)理誘發(fā)，而發(fā)光體的生成是通過漸進(jìn)可逆電荷轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)的熒光機(jī)理。該項(xiàng)理論研究的意義不僅僅在于推動(dòng)了對(duì)螢火魷生物發(fā)光的理解，所得的認(rèn)知可以推廣到多種生物發(fā)光體系。因?yàn)槲灮痿湡晒馑胤肿拥暮诵慕Y(jié)構(gòu)，咪唑并吡嗪(im idazopyrazinone)是8個(gè)門類發(fā)光生物熒光素分子的核心結(jié)構(gòu)14。

Re ferences

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To Explore the Micromechanism of Firefly Squid and Reveal the Mystery of Bioluminescence

YANG Jin-Long
(SchoolofChemistry and Materials Science,University ofScience and Technology ofChina,Hefei230026,P.R.China)

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www.whxb.pku.edu.cn