بيولومينسانس

 

حمید رضا صمدی خواه و سید علی رضا نوری- دانشجوی کارشناسی ارشد بیوشیمی دانشگاه تربیت مدرس

سامان حسینخانی- دانشیار دانشکده علوم زیستی دانشگاه تربیت مدرس

مقدمه

به فرايند توليد نور در سيستم‌هاي زيستي، اصطلاحاً بيولومينسانس گفته مي‌شود [1] . اين فرايند در گروه وسيعي از جانداران مشاهده شده است. آنزيم‌هاي درگير در اين فرايند را بطور كلي لوسيفراز نامگذاري كرده‌اند [2].

لومينسانس فرايندي است که در آن يک مولکول به حالت برانگيخته درآمده و هنگام بازگشت به سطح پايه، مازاد انرژي آن به صورت نور آزاد مي‌شود.

منبع انرژي مورد استفاده براي ايجاد حالت برانگيخته متفاوت است، به همين دليل اين پديده به شكل‌هاي مختلف وجود دارد. در فوتولومينسانس (Photoluminescence) انرژي پرتوي نوراني و در بيولومينسانس (Bioluminescence)انرژي حاصل از واكنش شيميايي كاتاليز شده توسط آنزيم لوسيفراز، ايجاد كننده حالت برانگيخته مي‌باشد ][3.        

نشر نور در گونه‌هاي مختلف متفاوت است. در سال1981  ، w.w.Coblentz گستره‌ي طول موج نشر نور حشرات را از nm 538 تا nm 580 در گونه‌هاي مختلف گزارش داد ][4.

آنزيم لوسيفراز [E.C. 1.13.12.7] منومري با وزن مولکولي kDa62 مي‌باشد. آنزيم لوسيفراز از سوبستراي  D- لوسیفرینهمراه با  ATP، O2 و يونMg2+ استفاده مي‌کند و براي انجام واكنش بيولومينسانس دو مرحله اساسي شامل آدنيلاسيون و اکسيژناسيون لوسيفريل – آدنيلات را كاتاليز مي‌نمايد ][5،6.  

(1) E + ATP + D-Luciferin                     E(luciferyl-adenylate) + PPi

(2) E(luciferyl-adenylate) + O2          E(oxyluciferin*; AMP) + CO2

(3) E(oxyluciferin*; AMP)                                 E(oxyluciferin;AMP)

photon

(4) E(oxyluciferin;AMP)                               E + oxyluciferin + AMP

كاربردهاي بيولومينسانس

آنزيم لوسيفراز به‌ عنوان يک ابزار مفيد و اساسي در زمينه‌هاي تحقيقاتي، پزشکي و صنعتي داراي کاربردهاي فراواني مي‌باشد که از جمله کاربردهاي آن به مواردي اشاره مي‌شود:

 -1اندازه­ گيري ATP توسط لوسيفراز:

این ترکیب در تمام سلول‌ها وجود دارد و سطح انرژي سلول را مشخص مي‌کند، بنابراين مقدار ATPاندازه‌گيري شده بيانگر تعداد سلول‌هاي زنده در محيط مي‌باشد. در حقيقت در اين روش  ATPتوليد شده توسط سيستم‌هاي زيستي به‌ وسيله سنجش آنزيمي لوسيفراز اندازه‌ گيري مي‌شود.

مقدار ATP اندازه‌گيري شده مي‌تواند به‌ منظور آگاهي از آلودگي ميکروبي در آب و مواد غذايي به کار رود و همچنين در صنايع دارويي و بيوتکنولوژي مي‌توان از آن براي بررسي تکثير سلولي، ميزان خودکشي سلولي ( apoptosis ) و سميت سلولي ( cell toxicity ) استفاده کرد ][7.

-2 کاربرد لوسيفراز در بررسي ميانکنش پروتئين-پروتئين، پروتئين-ليگاند يا ليگاند-گيرنده با استفاده از روش BRET  🙁 Bioluminescence Resonance Energy Transfer )

در اين روش با استفاده از آنزيم لوسيفراز و پروتئين‌هايي که خاصيت فلورسانس دارند، مي‌توان ميان کنش يک ليگاند يا يک پروتئين خاص را سنجش نمود.

اساس اين روش انتقال انرژي توليد شده توسط نشر نور حاصل از لوسيفراز به پروتئين ثانويه مي‌باشد که ميزان نشر نور به فاصله اين دو وابسته است. از اين روش براي سنجش ترکيبات متفاوتي در بيوسنسورها استفاده مي‌شود ][8.

-3 تصوير برداري از بدن ( Bioluminescence Whole body imaging )

در اين تکنيک تصويربرداري از کل بدن موجود انجام مي‌گيرد.

اين روش براي مطالعه الگوي تخريب و يا رشد تومورها در قسمت‌هايي از بدن به‌ کار مي‌رود و مي‌توان اثر مفيد يا مخرب داروها را روي قسمت‌هاي هدف بررسي نمود [9]  .

-4 کاربرد لوسيفراز در تکنيک‌هاي سنجش ايمني(Immuno Assay)

در اين تکنيک از آنزيم لوسيفراز به همراه آنتي‌بادي‌ها يا آنتي‌ژن‌ها استفاده مي‌شود و اتصال يا عدم اتصال آنتي‌بادي-آنتي‌ژن به وسيله اندازه‌گيري نور توليد شده توسط لوسيفراز سنجيده مي‌شود[10].

منابع :

1- Viviani, V.R. 2002. The origin, diversity and structure – function relationships of insect luciferase.Cell.Mol.Life Sci., 59, pp. 1833-1850.

2- Thomas, O.B. 1996. Firefly Luciferase: the structure is known, but the mystery remains. Structure, 4, pp. 223-228.

3- Wendy, J.A., Joanne, E.P. and Susannah, G. 1999. Modification of Luciferase to be a substrate for Plant aspartic proteinase. Biochem.J, 343, pp. 425-433

4- Zhang, S., Xu, Y., Wang, B., Qiao, W., Liu, D. and Li, Z. 2004. Cationic compounds used in lipoplexes and polyplexes for gene delivery. Journal of Controlled Release, 100, pp. 165-180.

5- Terese W, Woodland Hasting J. 1998. Biolominescence. Annu Rev Cell Dev Bio, 14, pp. 197- 230.

6- McElory WD, Deluca T. 1967. The enzymes concerned with firefly luciferin, amino acid and fatty acid utilization are compared. J Molecular uniformity in biological catalyses, 59, pp. 1833- 1850

7-   ATP 96. 1996. An International Symposium on Industrial Applications of Bioluminescence. J. Biolum. Chemilum, 11, pp. 317-335

8-   Francisco Ciruela. 2008. Biotechnology, 19, pp. 338- 343.

9-   Irene C. Notting., Jeroen T., Buijs, Ivo Que. 2005. Investigative Opthalomology & Visul Science, 46, pp. 1581- 1587.

10- Kricka L. J. 1996. Strategies for immunoassay. Pure& Appl Chem, 68, pp. 1820- 1830