飛秒激光誘變微生物技術(shù)及其機(jī)理的研究進(jìn)展

李海偉，陳云琳，黃 笛，聞建平

（1北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044；2天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

進(jìn)展與述評

飛秒激光誘變微生物技術(shù)及其機(jī)理的研究進(jìn)展

李海偉1，陳云琳1，黃 笛2，聞建平2

（1北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044；2天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

飛秒激光誘變微生物是一項嶄新的技術(shù)。本文針對傳統(tǒng)低功率 He-Ne激光誘變微生物的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，結(jié)合飛秒激光光束脈沖持續(xù)時間短、瞬時功率大、聚焦尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，簡要概括了國內(nèi)外對飛秒激光誘變微生物技術(shù)的研究。同時對飛秒激光輻射微生物過程中多光子吸收、形成等離子體、產(chǎn)生生物活性氧、DNA損傷自身修復(fù)等一系列的機(jī)理研究進(jìn)行了總結(jié)。最后，對飛秒激光誘變微生物技術(shù)及其機(jī)理研究進(jìn)行了展望并提出了建議：結(jié)合關(guān)鍵酶活性測定和動力學(xué)參數(shù)測定來選擇飛秒激光誘變的技術(shù)參數(shù)。

飛秒激光；誘變；微生物；機(jī)理

Abstract：Femtosecond laser induced micro-organisms mutation has become a new microbial technology，because of its characteristics of ultrafast pulse，high peak power and focusing on a small size. In this paper，compared to the advantages and disadvantages of the traditional low-power He-Ne laser irradiation，the technology of femtosecond laser induced micro-organisms mutation is discussed. Meanwhile，compared to traditional laser mutation mechanism of micro-organisms，the mechanisms of multi-photon absorption，formation of plasma，formation of reactive oxygen species，DNA damage and self-repair are summarized. Finally，the prospect for technology of femtosecond laser induced micro-organisms mutation is given，and the combination of key-enzyme activity measurement and dynamics parameters determination is important in choosing the technological parameters of femtosecond laser induced micro-organisms mutation.

Key words：femtosecond laser；inducing；micro-organism；mechanism

目前，微生物在解決人類的糧食、能源、健康、資源和環(huán)境保護(hù)等問題中正發(fā)揮著越來越重要且不可代替的獨(dú)特作用，也為人類帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。為了獲得高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質(zhì)的菌種，人們常常通過外界物理、化學(xué)、生物因子等因素的改變誘發(fā)基因突變，其中激光誘變以其處理安全、設(shè)備簡單、操作方便、輻射損傷輕、誘變當(dāng)代即可變異等優(yōu)點(diǎn)[2]越來越受到研究者的青睞，且應(yīng)用此方法人們已經(jīng)得到了大量的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌種[3-7]。但是，傳統(tǒng)低功率長脈沖He-Ne激光誘變方法存在易損傷細(xì)胞活性、突變效率低、突變無方向性、育種周期長等缺陷，易造成細(xì)胞活性損傷致死[8]、后續(xù)篩菌工作量大、菌種退化[9]等。

飛秒激光由于其脈沖持續(xù)時間短（10?15s）、瞬時功率大（1012W）、聚焦尺寸?。s200 nm）的特點(diǎn)，迅速成為激光誘變微生物獲得優(yōu)質(zhì)菌株的一種新技術(shù)，具有潛在的、誘人的誘變效果，且人們已經(jīng)應(yīng)用飛秒激光誘變微生物得到了變異優(yōu)質(zhì)菌種[10]。由于飛秒脈沖時間與微觀生物化學(xué)反應(yīng)過程時間相同，所以依靠超快過程能夠徹底了解生物化學(xué)反應(yīng)過程[11]。該新技術(shù)利用飛秒激光高峰值功率、聚焦尺寸小的特點(diǎn)，能避免光學(xué)衍射極限，輻照微生物細(xì)胞時可以實(shí)現(xiàn)直接照射細(xì)胞靶點(diǎn)進(jìn)行染色體定點(diǎn)切割[12]和單細(xì)胞顯微操作[10]等。另外，由于生物大分子和水幾乎不吸收近紅外光，應(yīng)用近紅外飛秒激光技術(shù)對微生物菌種進(jìn)行誘變作用，可以在不損傷細(xì)胞活性的前提下，對微生物菌株進(jìn)行飛秒激光誘變技術(shù)的研究[13]。在飛秒激光誘變微生物機(jī)理研究方面，人們提出了許多不同的解釋，雖然各自針對的生物化學(xué)過程不同，機(jī)理解釋也有差別，但也形成了一些各不相同的、較成熟的機(jī)理解釋，比如生物分子多光子吸收[14]、形成等離子體[15]、產(chǎn)生生物活性氧[16]、微生物細(xì)胞自身修復(fù)[17]等理論解釋，但是缺乏唯一的、可信的飛秒激光誘變機(jī)理解釋。

本文結(jié)合飛秒激光的特點(diǎn)和飛秒激光誘變微生物技術(shù)優(yōu)勢，圍繞飛秒激光誘變微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用和機(jī)理的研究展開評述，并對該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了展望。

1 飛秒激光誘變微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)

1.1 飛秒激光光束特點(diǎn)

1981年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Fork等報道了脈沖碰撞鎖模激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將激光脈沖寬度推進(jìn)到飛秒量級。20世紀(jì)90年代以后，隨著飛秒鈦寶石（Ti∶Al2O3）激光器的研制成功，人們獲得了峰值功率高、脈沖極短的飛秒激光，新一代光子晶體光纖飛秒激光研究也于2000年后蓬勃發(fā)展起來。隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，近紅外飛秒激光在生物學(xué)上的應(yīng)用日益增多[18]。飛秒激光光束的特點(diǎn)主要有脈沖寬度短、瞬時功率大、聚焦尺寸小等，具體見表1所示。

1.2 飛秒激光誘變微生物技術(shù)優(yōu)勢

飛秒激光光束有著與其它激光光束不同的特點(diǎn)，從而使其在微生物誘變方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

表1 飛秒激光光束的主要特點(diǎn)

（1）脈沖時間與生物化學(xué)反應(yīng)時間相同 飛秒（10－15s）超短的時間范圍正好是基本的化學(xué)反應(yīng)和分子內(nèi)電子和原子核運(yùn)動的時間范圍，如化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的形成或斷裂，分子重排形成新分子，能量從一個分子傳遞到另一個分子等過程。隨著Zewail[11]最早利用飛秒激光研究化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程而被授予1999年的諾貝爾化學(xué)獎，人們已經(jīng)在飛秒化學(xué)生物領(lǐng)域有了較大進(jìn)步[19]，尤其飛秒技術(shù)已經(jīng)被用于研究 DNA中電荷傳遞及質(zhì)子傳遞過程[20]。所以超短飛秒脈沖輻射微生物細(xì)胞時能從微觀角度影響到生物新陳代謝過程中各種生物化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)變異概率的提高。

（2）高能光子與生物組織作用強(qiáng)烈 飛秒激光由于其高峰值功率，在與微生物細(xì)胞相互作用時引起細(xì)胞器或細(xì)胞內(nèi)分子對激光能量的非線性吸收，這種非線性吸收在焦點(diǎn)處產(chǎn)生高激發(fā)的等離子體[15]。由于在等離子體產(chǎn)生的過程中會產(chǎn)生活性自由基，它們易與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、酶和DNA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響生物代謝，從而增強(qiáng)了變異的效果。

（3）DNA定點(diǎn)切除 近紅外飛秒激光系統(tǒng)（重復(fù)頻率為80 MHz，波長為800 nm，能量2 nJ）已被用于破壞人類染色體上的高濃縮的DNA和單個伸展的DNA分子的染色體組[18]。對于微生物（尤其原核生物）來說，由于DNA分子只有一條或者幾條，又由于飛秒激光聚焦小，在顯微鏡下可以對微生物的DNA進(jìn)行飛秒激光定點(diǎn)切除、移植等操作[12，21]。此種方法針對性強(qiáng)、精確度高，使突變更有目的性，避免了目前大多激光誘變“黑箱子操作”的盲目性，能夠有效的減少后續(xù)高通量篩選高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌株的工作量。

（4）細(xì)胞損傷小 大多數(shù)細(xì)胞在700～1100 nm波長范圍內(nèi)吸收系數(shù)小，散射系數(shù)小，因而幾乎是透明的，因此近紅外飛秒激光對細(xì)胞的穿透深。并且當(dāng)飛秒激光聚焦于微生物細(xì)胞時，聚焦處的光強(qiáng)非常高，足以引起非線性吸收，但聚焦處附近的熱影響非常小，飛秒激光對鄰近細(xì)胞幾乎沒有損害（溫度升高小于10－5K）[22]，且不影響細(xì)胞活性，而紫外和可見光不僅穿透深度小，且對活細(xì)胞的損壞嚴(yán)重。

1.3 飛秒激光誘變微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)

雖然飛秒激光在微生物誘變領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢，但是，由于飛秒激光價格昂貴，實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)操作要求嚴(yán)格等因素，國內(nèi)外關(guān)于飛秒激光誘變微生物獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌株的實(shí)驗(yàn)技術(shù)還很少。目前，據(jù)文獻(xiàn)報道，飛秒激光誘變技術(shù)主要有以下成果。

（1）飛秒激光誘導(dǎo)細(xì)胞融合技術(shù) 20世紀(jì)80年代中期，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ashkin等[23]發(fā)現(xiàn)，高度匯聚的高斯激光束能捕獲單細(xì)胞，后來被發(fā)展為用于操作細(xì)胞和細(xì)胞器的工具——激光鑷子。飛秒激光具有極高的時間（10－15s）和空間（約200 nm）分辨率，并可以高精度地控制能量與時間，鞏繼賢等[10，24]利用飛秒激光作為光源實(shí)現(xiàn)了集光鑷與細(xì)胞手術(shù)為一體的飛秒激光單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)，利用55 mW的飛秒激光（中心波長為810 nm，脈沖重復(fù)頻率100 MHz，脈沖寬度為40 fs）作用0.25秒，使兩株紅發(fā)夫酵母（P.rhodozyma）原生質(zhì)體（P-EUN-I-19和P-EUN-D-08）發(fā)生融合，得到的融合體菌株（P-S-Ⅱ-19）發(fā)酵產(chǎn)量比 P-EUN-I-19紅發(fā)夫酵母菌株提高了64%[25]。圖1為兩株紅發(fā)夫酵母原生質(zhì)體飛秒激光誘導(dǎo)后的融合過程[10]。圖1(a)所示為采用功率為50～100 mW的飛秒光束，照射細(xì)胞膜緊密接觸區(qū)域67.5～250 ms后兩個細(xì)胞開始融合，23 min后，明顯看到細(xì)胞融合的現(xiàn)象[圖1(b)]，90 min后，觀察不到兩個細(xì)胞的邊緣[圖1(c)]，細(xì)胞呈啞鈴狀，160 min后，兩個細(xì)胞融合為一個細(xì)胞[圖 1(d)]。該技術(shù)成果有望成為單細(xì)胞操作實(shí)現(xiàn)高效細(xì)胞融合的技術(shù)手段，將兩株近親細(xì)胞雜交得到優(yōu)良品種，同時不損傷細(xì)胞活性。超短脈沖飛秒激光誘導(dǎo)細(xì)胞融合具有選擇性好、融合率高、可視操作、無需進(jìn)行融合子檢出操作等優(yōu)勢[25]。

圖1 細(xì)胞原生質(zhì)體融合過程[10]

（2）飛秒激光轉(zhuǎn)染技術(shù) UdayK Tirlapur[26]和用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器在細(xì)胞膜上產(chǎn)生單個的、特定位置的、瞬時的、可逆的穿孔，它允許 DNA通過，并能保持細(xì)胞的完整性，而后UdayK Tirlapur用飛秒激光在中國鼠的卵巢（CHO）和袋鼠的腎上皮細(xì)胞（PtK2）內(nèi)進(jìn)行DNA轉(zhuǎn)染。Zeira等[27]利用鈦藍(lán)寶石飛秒激光脈沖將裸 DNA傳遞到嚙齒動物的肌肉組織。但是目前沒有飛秒激光誘導(dǎo)微生物DNA轉(zhuǎn)染技術(shù)的報道。這種技術(shù)不僅轉(zhuǎn)染效率高，可以同時觀察到外源基因的整合和表達(dá)，具有高精確度，高效性的優(yōu)點(diǎn)，必將成為研究熱點(diǎn)之一。

（3）DNA基因定點(diǎn)切除技術(shù) 飛秒激光光束聚焦斑點(diǎn)半徑可達(dá) 100 nm，峰值功率密度可達(dá)1018～1020W/cm2，光強(qiáng)大到足以產(chǎn)生等離子體，將聚焦處的生物組織氣化，所以激光切割的孔可以在目標(biāo)物100 nm以下的尺寸內(nèi)產(chǎn)生。Halbhuber[12]和Karsten K?nig等[28]用飛秒激光進(jìn)行了人體染色體切割實(shí)驗(yàn)，切割尺度分別為100 nm 和85 nm。該技術(shù)成果表明，應(yīng)用飛秒激光在顯微鏡下可以針對染色體上某處基因位點(diǎn)進(jìn)行切割、移植等操作，得到所需的微生物變異體；同時，將某處基因切除后有利于研究DNA該段堿基的生物功能，研究DNA損傷與修復(fù)的機(jī)理。

目前，飛秒激光主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用飛秒光鑷與飛秒光刀進(jìn)行生物細(xì)胞微加工、線粒體切割[29]、生物標(biāo)記物成像[30]、生物細(xì)胞三維高分辨率顯示[31]、生物化學(xué)反應(yīng)微觀過程[32]、眼睛角膜矯正手術(shù)[33]等。但是，目前國內(nèi)外激光誘變均是用連續(xù)或長脈沖激光對細(xì)胞群體進(jìn)行照射，應(yīng)用飛秒激光輻照微生物使其發(fā)生變異的文獻(xiàn)報道甚少。由于飛秒激光高峰值功率的特點(diǎn)，用飛秒激光進(jìn)行微生物細(xì)胞的誘變操作，其效果要比傳統(tǒng)的連續(xù)或長脈沖激光作用于細(xì)胞群體更加劇烈、有效，所以飛秒激光誘變微生物實(shí)驗(yàn)的開展必將填補(bǔ)國內(nèi)外該領(lǐng)域的空白。

2 飛秒激光誘變微生物機(jī)理

一般認(rèn)為，激光對遺傳物質(zhì)的影響主要分為直接作用和間接作用[34]。直接作用是指激光能引起染色體產(chǎn)生缺失、重復(fù)、倒位和異位等結(jié)構(gòu)；間接作用是指激光光子使能量在染色體及 DNA分子周圍聚集，引起分子加劇運(yùn)動和變化，從而使 DNA分子產(chǎn)生突變。但是此種解釋只是從直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果出發(fā)，提出實(shí)驗(yàn)解釋，缺乏微觀的、更深層次的理論研究。

激光誘變育種的機(jī)理后來從物理與數(shù)學(xué)角度作了研究，用量子理論、非線性理論研究了激光與DNA作用。周凌云等[35-37]在一維蛋白質(zhì)分子鏈模型的基礎(chǔ)上，用量子力學(xué)及非線性理論，分析了激光與生物分子系統(tǒng)的相互作用效應(yīng)，提出分子激光遺傳誘變的孤立子——混沌機(jī)理[38]，激光對生物分子作用效應(yīng)的分形理論[39]，并對一些具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了理論解釋。但是，此模型完全是從物理角度出發(fā)，用經(jīng)典量子力學(xué)的方法解釋生物學(xué)現(xiàn)象，忽略了微生物細(xì)胞系統(tǒng)的復(fù)雜性，并不能完全解釋生物誘變過程。

總之，對于激光誘變微生物的機(jī)理研究，由于生物細(xì)胞內(nèi)部各系統(tǒng)的復(fù)雜性，人們研究機(jī)理時研究對象、研究方法、研究目的、研究層次的不同，導(dǎo)致了目前并沒有形成統(tǒng)一的理論解釋，每種機(jī)理都不能很好解釋誘變機(jī)理。主要是因?yàn)闆]有對誘變過程中發(fā)生的微觀機(jī)理過程做深入的研究，沒有對微生物新陳代謝過程中生物化學(xué)反應(yīng)的微觀變化過程做深入的研究。由于飛秒激光脈沖寬度短、瞬時功率大、聚焦尺寸小的特點(diǎn)在與生物組織相互作用時所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢，尤其是飛秒脈沖時間和生物化學(xué)反應(yīng)的時間相同，影響到了新陳代謝本質(zhì)運(yùn)動，所以飛秒激光誘變機(jī)理的解釋更具有徹底性和本質(zhì)性。國內(nèi)外關(guān)于飛秒激光誘變機(jī)理的研究報道還相對較少，但是人們在飛秒誘變機(jī)理方面也取得一些進(jìn)展，主要有以下幾個方面。

（1）多光子吸收機(jī)理 DNA吸收多個飛秒激光光子后，或者直接被離子化，或者發(fā)生能量堆積，產(chǎn)生電子遷移（Electron Transfer，ET）效應(yīng)后，最終導(dǎo)致DNA單鏈或者雙鏈的損傷與斷裂[14，40-42]。最近有很多文獻(xiàn)總結(jié)報道了多光子誘導(dǎo)堿基突變機(jī)理[43-45]，此項研究對 DNA的損傷及修復(fù)機(jī)理研究具有重要意義[46]。

（2）等離子體的形成機(jī)理 高峰值功率密度的飛秒激光光束與微生物細(xì)胞內(nèi)生物大分子作用時，處于基態(tài)的原子吸收光子后能量躍遷到高能級，形成主要由電子、離子、激發(fā)態(tài)的原子、分子和自由基等組成的低溫等離子體，等離子體效應(yīng)可使生物大分子的化學(xué)鍵發(fā)生改變[15]，導(dǎo)致突變的發(fā)生。等離子體的產(chǎn)生過程如圖2所示。等離子體的產(chǎn)生最初是通過光致電離形成的，光致電離包括隧道電離（圖2中①過程所示）和多光子電離（圖2中②過程所示），一旦介質(zhì)中產(chǎn)生一個自由電子，該電子以逆向軔致輻射的方式吸收光子，通過一系列逆向軔致輻射吸收后，電子動能大到在碰撞電離中足以產(chǎn)生另外一個自由電子（圖2中③過程所示）。這時就產(chǎn)生了兩個低動能的自由電子，它們再以逆向軔致輻射方式獲得動能，再與大的粒子（離子或原子核）碰撞，產(chǎn)生4個低動能的自由電子，以此方式循環(huán)下去，導(dǎo)致雪崩電離（圖2中④過程所示），形成等離子體。等離子體化學(xué)過程比較豐富，各種強(qiáng)場效應(yīng)比較顯著，通過能量沉積、動量傳遞、質(zhì)量沉積以及電荷的中和與交換等4種生物效應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞變異。

圖2 在等離子體形成過程中光致電離、逆軔致輻射吸收和撞擊電離的相互作用[15]

（3）生物活性氧產(chǎn)生機(jī)理 飛秒激光能激發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，即自由基，如過氧化氫、羥自由基和單線態(tài)氧等，而自由基的存在會導(dǎo)致DNA單鏈斷裂和堿基損傷[46]。曹恩華等[16]認(rèn)為當(dāng)用激光輻照時，細(xì)胞或組織內(nèi)的內(nèi)源性色素充當(dāng)光敏劑角色，吸收光子后，使生物體膜脂質(zhì)上的不飽和脂肪酸發(fā)生過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生活性氧自由基。當(dāng)脂質(zhì)過氧化發(fā)生在核膜上時，自由基將優(yōu)先與DNA作用，引起DNA的損傷。

（4）DNA損傷自身修復(fù)機(jī)理 DNA損傷主要包括DNA雙鏈斷裂、堿基損傷、單鏈斷裂等類型，每種損傷類型都與細(xì)胞死亡、基因突變甚至細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化有密切聯(lián)系[17]。在細(xì)胞內(nèi)，DNA修復(fù)酶始終監(jiān)視染色體，一旦發(fā)現(xiàn)物理、化學(xué)、生物等因素產(chǎn)生的核苷酸殘基，就會啟動細(xì)胞自身修復(fù)機(jī)制[47]。DNA損傷修復(fù)是一種生物細(xì)胞內(nèi)的自發(fā)的代謝反應(yīng)過程，而其中 γ-H2AX（一種組蛋白）與DNA發(fā)生雙鏈斷裂修復(fù)是一個重要過程[48]。DNA發(fā)生雙鏈斷裂后最早反應(yīng)之一是位于斷裂點(diǎn)附近的組蛋白H2AX的C末端絲氨酸殘基發(fā)生磷酸化。磷酸化的γ-H2AX快速轉(zhuǎn)導(dǎo)DNA損傷信號，導(dǎo)致下游分子磷酸化的激活，引發(fā)一系列的生物級聯(lián)反應(yīng)和細(xì)胞學(xué)反應(yīng)。隨著DNA損傷逐漸修復(fù)，γ-H2AX發(fā)生去磷酸化（半衰期約為2 h），直至DNA修復(fù)完成，γ-H2AX也即消失，而在DNA修復(fù)的過程中便會發(fā)生大量的突變。

高能飛秒激光光子輻射到微生物細(xì)胞上，通過多光子強(qiáng)烈吸收導(dǎo)致了生物分子離子化，或者發(fā)生能量堆積，造成DNA等生物大分子損傷。在這個過程中就會形成由電子、離子、激發(fā)態(tài)的原子、分子和自由基等組成的低溫等離子體，擾亂生物細(xì)胞自身的代謝過程，其中生物活性氧直接與 DNA作用，引起DNA損傷。由于細(xì)胞的修復(fù)系統(tǒng)啟動，細(xì)胞通過一系列生物化學(xué)反應(yīng)將 DNA修復(fù)，保證遺傳信息的完整性，從而將細(xì)胞自身的代謝調(diào)整到正常狀態(tài)，在這個過程中就會產(chǎn)生大量的突變。相比較于傳統(tǒng)激光的誘變機(jī)理，飛秒激光的誘變機(jī)理更具有本質(zhì)性和微觀性，結(jié)合了物理過程和生物化學(xué)反應(yīng)過程，更具有全面性和系統(tǒng)性。

3 展 望

對于飛秒輻射微生物變異的技術(shù)，目前人們還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，可以結(jié)合關(guān)鍵酶活性測定和動力學(xué)參數(shù)測定，開展飛秒激光誘變微生物菌株的激光波長、能量密度、功率密度、輻射時間和輻射樣品區(qū)的光斑尺寸等激光參數(shù)對飛秒激光誘變微生物菌株效果的影響，針對菌種代謝網(wǎng)絡(luò)，選擇適當(dāng)?shù)暮Y選高產(chǎn)菌種的方法，獲得高產(chǎn)菌株。

對于飛秒誘變機(jī)理的研究，Popp等[49]和Gu等[50-51]已經(jīng)在生物光子輻射方面做了很多的工作。他們基于分子生物學(xué)中關(guān)于激基復(fù)合物（exciplex）形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和量子光學(xué)中的Dicke模型，建立了生物光子輻射理論，從理論上研究了光子與生物分子相作用的整個生物物理過程。故可從生物細(xì)胞DNA組、轉(zhuǎn)錄組、翻譯組、酶促反應(yīng)組等系統(tǒng)生物學(xué)角度出發(fā)，研究飛秒激光誘發(fā)生物細(xì)胞內(nèi)DNA的大分子的基態(tài)、激發(fā)態(tài)的形成，結(jié)合目前多光子吸收、形成等離子體、產(chǎn)生生物活性氧、DNA損傷自身修復(fù)等一系列的機(jī)理，重點(diǎn)研究光子與DNA分子相互作用的微觀生物化學(xué)過程，包括DNA損傷、DNA修復(fù)過程，最終得到飛秒激光誘變微生物可信的、統(tǒng)一的微觀量子生物物理機(jī)理模型。此機(jī)理模型的研究必將為生物突變研究工作的進(jìn)一步發(fā)展提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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Research progress of technology and mechanism of femtosecond laser induced micro-organisms mutation

LI Haiwei1，CHEN Yunlin1，HUANG Di2，WEN Jianping2
（1College of Science，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；
2School of Chemical Engineering & Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Q 631

A

1000–6613（2011）04–0824–07

；2010-09-25；修改稿日期；2010-10-25。

國家自然科學(xué)基金資助項目（21076022）。

李海偉（1985—），男，碩士研究生。E-mail 09122190@ bjtu.edu.cn。聯(lián)系人：陳云琳，女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail ylchen@bjtu.edu.cn。