探索螢火魷發光的微觀機理，揭示生物發光的奧秘

楊金龍

(中國科學技術大學化學與材料科學學院,合肥230026)

探索螢火魷發光的微觀機理，揭示生物發光的奧秘

楊金龍

(中國科學技術大學化學與材料科學學院,合肥230026)

在科幻電影《阿凡達》中，潘多拉星球上美輪美奐的發光生物給觀眾留下了深刻的印象。導演卡梅隆的想象力無疑來自于地球上的生物發光(biolum inescence)現象。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光現象。

生物發光是活體生物通過化學反應產生可見光的現象，是一種特殊類型的化學發光。目前已發現多達17個門中700多個屬的生物物種具有發射可見光的能力1,2。雖然發光生物多種多樣，其發光體系獨立進化，但從分子水平而言，所有生物發光都產生于熒光素酶(luciferase)催化的熒光素(luciferin)分子和氧氣分子的化學反應。除了熒光素、熒光素酶和氧氣外，多數發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過多步復雜的化學反應才可以發光2。不同的發光生物具有不同結構的熒光素和熒光素酶，其它必須的因素和條件也相差迥異。由于生物發光化學過程極其復雜，絕大多數生物發光現象還處于被觀察和粗淺了解的狀態。盡管生物發光研究獲得2008年度諾貝爾化學獎，盡管有幾種生物發光已經被應用到快速分析食品污染、基因調控和體內成像1，然而絕大多數生物發光的機制遠未被搞清楚，特別是在分子和電子態水平的機理解釋一直是困擾生物學家和化學家的難題。

理論化學對于機制的研究有著實驗無法替代的優勢。多尺度模擬方法的發展對復雜體系特別是生物體系的理論研究起到了推動作用。北京師范大學劉亞軍教授課題組是國際上最早開展生物發光理論計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、細菌8,9和海螢10的生物發光。目前已清晰地闡明了這幾種生物發光的化學起源和機理。相關研究成果引起了國際同行的廣泛關注，科技新聞網PhysOrg.com曾報道了他們的部分研究內容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)的發光機制進行了理論研究。相關成果近期發表于Journal of the American Chem ical Society雜志上12。對螢火魷產生深藍色光所經歷的一系列化學反應，實驗能給出的信息非常少。Tsuji曾基于有限的實驗證據建議了螢火魷發光過程的幾個階段13。這個缺乏實驗證據和理論支持的粗略假設在產生光過程中的兩個最關鍵步驟更是模糊不清。這兩個關鍵步驟是熒光素分子的氧化反應和生成發光體的反應。通過可靠的量子化學計算、經典分子動力學模擬和非絕熱分子動力學模擬，基于能量學、電子轉移過程和電子結構等分析，理論研究提供了這兩個關鍵反應的細節，指出熒光素分子氧化反應由單電子轉移(SET)機理誘發，而發光體的生成是通過漸進可逆電荷轉移誘導的熒光機理。該項理論研究的意義不僅僅在于推動了對螢火魷生物發光的理解，所得的認知可以推廣到多種生物發光體系。因為螢火魷熒光素分子的核心結構，咪唑并吡嗪(im idazopyrazinone)是8個門類發光生物熒光素分子的核心結構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