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，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)對于機(jī)制的研究有著實(shí)驗(yàn)無法替代的優(yōu)勢。多尺度模擬方法的發(fā)展對復(fù)雜體系特別是生物體系的理論研究起到了推動作用。北京師范大學(xué)劉亞軍教授課題組是國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內(nèi)容11。最近該課題組首次對一種深海熒光魷魚(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)典分子動力學(xué)模擬和非絕熱分子動力學(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了對螢火魷生物發(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

(1)W ilson,T.;Hastings,J.W.Biolum inescence:Living Lights, Lights for Living,Harvard University Press,2013.

(2)Shimomura,O.Biolum inescence:Chem ical Principles and Methods,Revised version,World Scientific Publishing Co., 2012.

(3)Liu,F.Y.;Liu,Y.J.;De Vico,L.;Lindh,R.J.Am.Chem.Soc. 2009,131,6181.doi:10.1021/ja808511t

(4)Navizet,I.;Liu,Y.J.;Ferré,N.;Xiao,H.Y.;Fang,W.H.; Lindh,R.J.Am.Chem.Soc.2010,132,706.doi:10.1021/ ja908051h

(5)Yue,L.;Liu,Y.J.;Fang,W.H.J.Am.Chem.Soc.2012,134, 11632.doi:10.1021/ja302979t

(6)Chen,S.F.;Ferré,N.;Liu,Y.J.Chem.Eur.J.2013,19,8466. doi:10.1002/chem.201300678

(7)Chen,S.F.;Navizet,I.;Lindh,R.;Liu,Y.J.;Ferré,N.J.Phys. Chem.B 2014,118,2896.doi:10.1021/jp412198w

(8)Hou,C.;Liu,Y.J.;Ferré,N.;Fang,W.H.Chem.Eur.J.2014, 20,7979.doi:10.1002/chem.201400253

(10)Ding,B.W.;Naumov,P.;Liu,Y.J.J.Chem.Theory Comput. 2015,11,591.doi:10.1021/ct5009203

(11)http://www.physorg.com/new s182078718.htm l

(12)Ding,B.W.;Liu,Y.J.J.Am.Chem.Soc.2017,139,1106.doi: 10.1021/jacs.6b09119

(13)Tsuji,F.I.Biochim.Biophys.Acta,Biomembranes2002,1564, 189.doi:10.1016/S0005-2736(02)00447-9

(14)W idder,E.A.Science 2010,328,704.doi:10.1126/ science.1174269

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)

uo,Y.L.;Liu,Y.J.Chem.Eur.J.2016,22,16243.

10.1002/chem.201603314

doi:10.3866/PKU.WHXB201701093

www.whxb.pku.edu.cn