Only Perception: 如何建構一隻「螢火蟲」測量 ATP

2008-06-06

如何建構一隻「螢火蟲」測量 ATP

How to construct a 'firefly' worm
http://www.physorg.com/news131630865.html

June 02, 2008

一篇發表於 BMC Physiology 期刊上研究，描述了一種新改造的冷光（luminescent）蟲，那首度允許在「即時」情況下測量「整個」生物的新陳代謝。

這種能力背後的關鍵依賴下面這項事實：此冷光的產生利用動物可得到的能量，那反映出它的新陳代謝，而那，就其本身而論，能透過量測所發出的光來推斷。

這種新改造的秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans，C. elegans）-- 那廣泛地用於研究人類基因 -- 藉由在新陳代謝變化發生的當下偵測它們，將協助了解這些改變背後的起因，且將對於了解秀麗隱桿線蟲（與人類）以及生病與健康背後的新陳代謝有所貢獻。事實上，阿茲海默症、帕金森氏症與不同類型的壓力 -- 例如飢餓與缺氧 -- 不過是由某些可看見的新陳代謝變化所描繪的現象，那可利用這種新動物模型更進一步研究。

秀麗隱桿線蟲是種用來研究人類基因與其功能的動物模型，這是因為其基因組的一部份在演化過程中被保留下來，且與人類共享這項事實。雖然有許多研究透過這種蟲的基因完成，但仍有許多需要學習，尤其是基因背後的生理學，那 -- 與攸關生死的機能或體形相較 -- 很難被確認，因為它們當中的異常並不全都是可看見的改變。

三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）是一種高能分子，被肉體細胞當成能源來使用，其濃度與生物的新陳代謝直接相關連。這表示修改身體中的 ATP 能幫助揭露新陳代謝問題，而事實上 ATP 變化與一系列問題相關，包括神經退化性疾病與壓力。

就是 ATP、新陳代謝與疾病之間的連結導致英國 Aberdeen 大學醫療科學研究所的 Cristina Lagido, Jonathan Pettitt, Aileen Flett 與 L. Anne Glover 提出假說：ATP 濃度在 C.elegans 當中可當成一種生理學參數來使用以補足遺傳資料並協助更進一步了解它（以及人類）的基因組。

在此目標下，研究者想要創造出一種修改過的冷光秀麗隱桿線蟲，表現出螢火蟲螢光酵素（firefly luciferase）這種蛋白，而這種蛋白一如其名，是來自於螢火蟲，它利用 ATP 轉換一種稱為螢光素（luciferin）的色素而發光。

這個構想是，當螢光素若過度提供，這種動物的冷光將直接與存在於蟲當中的 ATP 數量直接相關。而且，因為秀麗隱桿線蟲是透明的，這種冷光接著可被測量，讓研究者能計算 ATP 濃度，以及必然地、在即時的的情況下追蹤動物的新陳代謝。

但首先，為了要確認該蟲的冷光確實與其 ATP 濃度相關，該動物被置於某種已知會影響這種分子數量的狀態下 -- 不管是讓它們暴露在有毒的化合物疊氮化鈉（sodium azide，那是種已知的壓力藥劑，譯註：安全氣囊也有使用，是種致命化學物質，不過尚未有人因安全氣囊而中毒，此外也用於殺菌防腐）或是透過直接禁止它們的 ATP 製造 -- 而它們的冷光被量測。在這二例中，一如所預期，螢光顯著減少，而且當增加這種化合物的濃度時，減少的冷光更進一步支持 ATP - 冷光連結。

此外，因為非致命劑量疊氮化鈉的效應 -- 如同這些實驗中所使用的 -- 已知是可以逆轉的，在測量後經過洗滌，並再度測量其冷光，結果發現所散發的光線又恢復到正常水準。最後支持 ATP 濃度與冷光間連結的證據來自於這項事實：在疊氮化鈉實驗中所發現的 ATP 變動，與其它研究在類似狀態下，但使用不同方法，所完成的測量一致。

這些結果證實 Lagido 等人所修改的 C. elegans，事實上是一種可靠的模型，能即時跟隨此蟲的新陳代謝。這是冷光能用來評估活體多細胞生物體內 ATP 濃度的第一個證明。（後略譯。）

※ 相關報導：

＊ Bridging the phenotypic gap: Real-time assessment of mitochondrial function and metabolism of the nematode Caenorhabditis elegans
http://www.biomedcentral.com/1472-6793/8/7