毎年春になると、花蓮 (台湾) の近くの森は無数の明滅する光で輝きます。好奇心旺盛な訪問者は、これらの動く明るい点を面白がって見つめます。光は、ある種の昆虫の体内で発生する生物発光化学反応で生成され、ルシフェラーゼと呼ばれる酵素によって触媒されます。
何十年もの間、この反応の構成要素は分離され、科学者によって実験室で使用されてきました。この反応は、エネルギー分子であるアデノシン三リン酸（ATP）を消費します。ルシフェラーゼと呼ばれる酵素は、ATP を使用して、不安定な中間体の励起状態のオキシルシフェリンを生成します。後者は、可視光の発光フォトンを急速に分解します。
最も広く研究されているルシフェラーゼの 1 つは、ホタル (Photinus pyralis ）。多くの研究で、さまざまな要因 (pH、重金属、酵素の構造変化、酵素の特定のアミノ酸の置換など) が、ホタルのルシフェラーゼ反応の過程で生成される光の色 (またはスペクトル) に影響を与えることが示されています。 .ホタルのルシフェラーゼによる多色発光の原因について、さまざまな研究グループが仮説を立てています。しかし、ホタルのルシフェラーゼが発する光の色を制御する普遍的なメカニズムについては、まだコンセンサスに達していません。
最近の研究では、ATP 自体がホタルのルシフェラーゼ反応で生成される光の色に影響を与える可能性があることが示されています。ある実験では、研究者は ATP を継続的にピペッティングすることで ATP 濃度を増加させました。反応混合物は最初に緑色の光を発した。すると、光の色が赤に変わりました。別の実験では、ルシフェラーゼを、ATP を迅速に合成できる他の酵素と組み合わせました。結果として生じる ATP ランプは、光の色が緑から赤に徐々に変化するきっかけとなりました。
この種の研究の認知的価値とは別に、ルシフェラーゼ酵素による多色発光を理解することは、実用的な意味を持ちます。これは、さまざまな分野 (生化学、化学、分子生物学) で研究している科学者が、ルシフェラーゼをレポーター分子として利用しているためです。たとえば、ATP 濃度の測定、食品や環境サンプル中の細菌汚染の痕跡の発見、薬の有効性の研究、関心のある特定の遺伝子の発現の検証などです。放出された光の予期しない色の変化 (特定のスペクトル バンドの出現または消失) は、取得したデータに偏りが生じ、誤った結論につながる可能性があります。これは、細胞内ルシフェラーゼ レポーターに影響を与える可能性がある細胞内の ATP 変動のコンテキストで特に重要です。
良い面としては、これらのアッセイの多くは低濃度の ATP で行われるため、有意な色の変化は観察されませんでした。高濃度の ATP を含むサンプルを分析する場合、放出される光の明るさとは別に色の変化を利用して、ATP の量に関する情報を提供できる可能性があります。生物発光の色の調整は、化学プロセスを特定の反応 (ここでは、異なる色の光の放出) と組み合わせる必要がある生物工学システムにも応用できる可能性があります。ただし、これらの将来のアプリケーションはまだ検討されていません。 ATP の増加による光の色の変化のメカニズムはまだ解明されていないため、研究者はそれを明らかにするためのさらなる研究を行うことも計画しています。
これらの調査結果は、ジャーナル Analytical Biochemistry に最近掲載された、ホタル ルシフェラーゼ アッセイ システムにおける自発的な発光色の変化というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、国立清華大学の Pawel Urban と国立交通大学の Pei-Han Liu によって実施されました。
