研究成果

利用X光三維成像技術解析螢火蟲發光之物理機制

刊登日期:2014-12-27

中央研究院物理研究所NanoX研究團隊成功利用同步輻射X光顯微鏡觀測螢火蟲發光器的氣管系統並解析出螢火蟲控制螢光閃爍的物理機制。
幾千年以來,螢火蟲產生自發的螢光的現象,不斷吸引人類的幻想。螢光蛋白及酵素也早已被分離、萃取、合成,並產生了大量的應用。但是不同於其他可以自發產生螢光之生物體螢火蟲可以控制螢光的發光,進而利用螢光的閃爍,達到群體聯繫的目的。螢火蟲控制螢光閃爍的生化機制也是於最近幾年才被提出,認為一氧化氮與粒線體的作用,作為細胞層級開關的角色。但是在系統層面及氧氣供應機制方面這些研究並沒有清楚的圖像。而當螢火蟲發光時,其發光器內複雜的氣管系統藉由與氣孔與外界直接連結,利用氣體的擴散經微小的氣管,將氧氣輸送到螢火蟲體內的發光細胞中,並利用發光細胞裡的螢光酵素將螢光素及氧氣結合,使得螢光素因為氧化而激發出螢光。並且在氧氣消耗殆盡之後再度回覆穩態。因為螢光發光時氧氣的供應是唯一可被調控而造成閃爍的反應要件,所以其在完整生物系統所扮演的角色,不應只嘗試在細胞生化層面回答。
傳統生物學觀察方式,因為無法對活體昆蟲進行超過光學解析度的即時影像分析,因此無法斷定數種有關氧氣供應方式的假說。中央研究院物理研究所NanoX研究團隊此次藉由同步輻射X光顯微成像之高穿透力及三維奈米解析度,成功地對螢火蟲發光器進行了完整的三維顯微成像,包括螢火蟲的體內極為複雜的微氣管結構,以及直徑小於200奈米之支氣管。經過數值化處理所有的氣管系統後,可以精確地計算出氧氣到達發光細胞的流量,並藉由精確地測量螢光發光的能量消耗評估氧氣提供螢光發光的整體效率。
基於已確認之螢光持續的時間與粒線體的關聯,可以證實在正常代謝狀況時,粒線體將消耗所有氣管系統所提供之氧氣,完全阻隔氧氣進入發光細胞中的發光系統。因此螢光閃爍頻率的控制需藉由粒線體的鈍化來達成。例如藉由一氧化氮合酶(NOS)受到神經系統刺激產生快速擴散的一氧化氮與粒線體的生化結合,鈍化粒線體來造成發光系統可以得到足夠的氧氣供給發出螢光。一氧化氮與粒線體的生化結合極為短暫,一氧化氮消逝而粒線體消耗氧氣速率高於氧氣從氣管系統到發光細胞的擴散速率時,螢光素將會因為缺乏氧氣而逐漸回復穩態,並停止發光。此種間歇性的氧氣供給,也就是造成可控制的螢光閃爍現象的主要機制。
此突破性的研究成果是由清華大學李家維教授、中央研究院物理研究所胡宇光研究員,與瑞士EPFL、特有生物保育中心、國立臺灣大學昆蟲學系合作所共同完成,並發表於國際知名物理期刊(Phys. Rev. Lett. 2014, DOI: 10.1103/physrevlett.113.258103)

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