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本校分子與細胞生物研究所 利用X光三維成像技術解析螢火蟲發光之物理機制【2015.01.21秘書處】

 螢火蟲為什麼會閃閃發光,一直是生物學家希望能解開的謎題。本校分子與細胞生物研究所與中研院物理所跨領域聯手,利用同步輻射X光顯微鏡,觀測螢火蟲發光器的氣管系統,解析出螢火蟲控制螢光閃爍的物理機制。此研究成果,發表於國際知名的物理期刊《Physical Review Letters》。

 
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,達到溝通、求偶的目的。
 
此論文的第一作者蔡岳霖,為101年分子與細胞研究所碩士班的畢業生,他表示,當今有兩種主要的螢火蟲閃爍機制的推論:1、螢火蟲的氣管系統有很強的氧氣供應效率,可以提供大量的氧氣給發光細胞,同時滿足粒線體和螢光反應對氧氣的需求;2、螢火蟲在發光前須先抑制粒線體消耗氧氣,如此一來,才有足夠的氧氣提供給螢光反應。要釐清這兩種模型需先得知氣管系統的供氧效率。因為前者認為氣管系統供氧效率極高,可以不用理會粒線體是否會與螢光反應競爭氧氣;而後者認為氣管系統供應的氧氣,不能同時滿足粒線體與螢光反應。
 
傳統生物學的觀察方式,無法對活體昆蟲進行超過光學解析度的即時影像分析,因此無法判別螢火蟲發光器的氧氣供應假說。蔡岳霖藉由同步輻射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,並藉由精確測量螢光的能量消耗,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時間與粒線體的關聯,可以推斷在正常代謝狀況時,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系統。研究團隊指出,螢光閃爍頻率的控制需藉由粒線體的鈍化來達成。例如,藉由氣體NO來抑制粒線體,得以將氧氣提供給發光系統,進而發出螢光。
 
此突破性的研究成果是由本校分生所蔡岳霖、指導教授李家維、清大物理系洪在明教授、中研院物理研究所胡宇光博士,與特有生物保育中心、瑞士洛桑聯邦理工學院等研究團隊合作完成,利用「同步輻射X光顯微鏡」觀察螢火蟲發光器,將氣管系統數值化處理,精確算出氧氣到達發光細胞的流量,驗證上述假說。此跨領域究花費了一年半的時間完成,並刊發表於國際知名物理期刊(Phys. Rev. Lett. 2014, DOI: 10.1103/physrevlett.113.258103)。
 
蔡岳霖對在碩士班期間的學術成就,他表示,「就是要不斷嘗試各種解決問題的方法,以及不斷的突破自己」。此篇論文的通訊作者李家維教授,對於學生有這番成就,除了與有榮焉外,也期許正在求學的、埋首研究的所有學生,「跨領域的學習與合作,是解決困難問題的最好方式」。
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