Science：開發出單細胞生物發光成像系統

螢火蟲和水母等發光生物讓科學家們很感有趣，這是因為它們的生物發光分子有助於可視化觀察大量的生物過程。來源於螢火蟲的螢光素酶催化底物D-熒光素，從而發出綠黃色的光。為了讓這種發光過程更加高效，已有相當多的研究利用合成類似物（synthetic analog）替換熒光素和改進它們的催化速率。如今，在一項新的研究中，來自日本理化研究所的Atsushi Miyawaki和同事們試圖更進一步，通過優化螢光素酶和熒光素這兩種組分，構建出在體內使用的一種全新的經過生物工程改造的生物發光系統。相關研究結果發表在2018年2月23日的Science期刊上，論文標題為「Single-cell bioluminescence imaging of deep tissue in freely moving animals」。他們利用這種生物發光系統追蹤小鼠體內的癌細胞和猴子體內的腦細胞活動。不過，它的應用遠不局限於此。

圖片來自RIKEN。

基於之前的研究，這些研究人員已知道一種被稱作AkaLumine-HCl的合成熒光素能夠穿透血腦屏障併產生在身體組織中更容易觀察到的紅光。然而，它與天然的螢光素酶不太相容，因此他們讓這種酶發生突變，從而改善它與AkaLumine-HCl之間的配對。由此產生的Akaluc蛋白既是一種更加有效的底物催化劑，而且也在細胞中更加大量地表達。在小鼠大腦中，Akaluc和 AkaLumine-HCl的這種組合，被稱為AkaBLI，它們產生的生物發光信號比天然的熒光素酶-熒光素反應產生的信號強1000倍。在身體內的其他部位，比如在小鼠肺部，僅一兩個發光細胞就足以是清晰可見的，這可能用於監控移植細胞。

通過將AkaBLI加入到小鼠的飲用水中，就能夠輕鬆隨意地引入生物發光，並且最為持久地發光。不過，將這些分子注射到小鼠體內會產生更大的發光信號強度。 Miyawaki說，「然而，最根本的改進是能夠在體內開展生理研究。」

通過使用AkaBLI，這些研究人員能夠直接地觀察大腦的活動和結構在一段時間內如何隨著行為的變化而變化。在小鼠暴露於熟悉的和新的籠環境中的實驗里，他們能夠在多天的時間裡記錄小鼠海馬體中的相同神經元。Miyawaki說，「這是第一次非侵入式地可視化觀察與一種特定學習行為相關的幾十個位於大腦深處的神經元。在狨猴（marmoset monkey）中，這些研究人員能夠利用AkaBLI在一年多的時間裡追蹤大腦深處的神經元。 Miyawaki指出，這種穩定而持久的生物發光對理解自然行為過程中的神經迴路的潛力是巨大的。

參考資料：

Satoshi Iwano, Mayu Sugiyama, Hiroshi Hama et al. Single-cell bioluminescence imaging of deep tissue in freely moving animals. Science, 23 Feb 2018, 359(6378):935-939, doi:10.1126/science.aaq1067.

Yusuke Nasu, Robert E. Campbell. Unnaturally aglow with a bright inner light. Science, 23 Feb 2018, 359(6378):868-869, doi:10.1126/science.aas9159.

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