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给我一瓶魔法药水：生物发光超酷的

2023-02-01 07:01

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

Haddock回忆说，在他们会面的某个时刻，Shimomura从一个罐子里倒出了一个看着像芝麻的东西，放在手里，滴了一些水在上面，然后把它们捏成糊状。关灯后，他的手掌散发出动人心弦的蓝色光芒，仿佛托着一只精灵一般。

诺贝尔奖获得者，化学家和海洋生物学家

Shimomura帮助确定了维多利亚水母的生物发光性质

1990年代后期，海洋生物学家Steven Haddock在他位于马萨诸塞州伍兹霍尔的实验室拜访了科学家Osamu Shimomura。这两位研究人员都对生物发光有着共同的痴迷：生物体内化学反应产生的光——最著名的是萤火虫，同样也存在于真菌和大量海洋生物中。

善金局TAKEAWAY

· 生物发光发生在广泛的动物和微生物中，包括真菌、昆虫、鱼类、海洋无脊椎动物和细菌。

· 由细菌产生的生物光可以成为照亮城市的高能效和可持续的新方式。

· 理论上从细菌中提取荧光素酶可以解决维护活体细菌困难的问题。

· 合成生物学在生物发光上的应用将成为一个巨大的机会。

自然界中的那抹微光

一些真菌携带允许它们产生生物发光的基因

可用于生物工程植物发光

“芝麻”实际上是被称为介形虫的微小甲壳类动物的干燥体。Shimomura解释说，二战期间，军队从海洋中捕获了大量的生物。海萤火虫发出的冷蓝色光，亮到足以让士兵阅读地图和信件。87岁的Shimomura说：“这是一种简单的光源。你只需加水，不需要任何电池。” 当Haddock访问Shimomura时，这些干枯的浮游生物已经放在那几十年了，但它们仍然保留着发光的力量。

许多海洋生物是可以生物发光的

能够通过化学反应产生“生命之光”

这样的生物发光现象存在于大自然的各个角落，包括在76%的深海生物中，并且已经独立进化了几十次。生物通过发光来完成特定的目的。萤火虫通过发光吸引配偶，一些藻类在周围水域受到干扰时也会发光。深海鮟鱇鱼让发光的细菌寄居在其头部上方的肉状突触里，作为诱捕猎物的诱饵。

大多数生物发光海洋物种发出蓝绿色光，由于颜色的波长较短，可以在海洋中传播得更远。一些萤火虫和蜗牛则发出黄色光。“铁路蠕虫”是一种原产于美洲的甲虫幼虫，它们身体上的这些发光点类似于夜间火车车厢亮着的窗户，并能发出红色和黄绿色两种光……

几千年来，人们已经设计出巧妙的生物发光应用，其中许多在今天却鲜为人知。罗马博物学家和哲学家Pliny the Elder写道，人们将某种发光水母的粘液擦在手杖上，使其兼作手电筒。在19世纪之前，煤矿工人用萤火虫和爬满荧光细菌的干鱼皮装满罐子，用作安全灯笼，避免使用明火爆炸。

如今，这种古老的光芒是否能照亮未来的城镇？

小镇中活着的灯光

位于巴黎西南约50公里的法国小镇朗布依埃，其Covid-19疫苗接种中心一个安静的侧室里，一排圆柱形管发出柔和的蓝光。去年来接种疫苗的人们曾被邀请在这里享受片刻宁静的光芒。

这种绿松石般的光芒来自一种在法国海岸附近聚集的海洋细菌，名为费氏弧菌。它们被储存在充满海水的圆管中，在这个发光的“水族箱”中自由流动。由于光是这种细菌正常新陈代谢的产物，因此除了要给细菌喂食，这种灯光几乎不需要任何能量，只需添加营养素混合物，并将空气泵入水中获取氧气即可。若是想要“关灯”，则切断空气，让细菌进入厌氧状态以停止发光过程。

海藻在受到海浪、船只或游泳者的干扰时

会在水中发出奇异的光

法国初创公司Glowee是朗布依埃小镇项目的拥有者。创始人Sandra Rey说：“我们的目标是改变城市使用灯光的方式。我们希望创造一种尊重市民、环境和生物多样性的氛围，并将这种新的灯光哲学作为一种真正的替代光源方案。”

Sandra Rey认为生物光可以成为照亮城市的高能效和可持续的方式。自从1879年开发出第一个灯泡以来，生产光的方式几乎没有变化。虽然20世纪60年代出现的LED灯泡已经大大降低了照明的运行成本，但它仍然依赖于电力。

Glowee公司成立于2014年。Glowee将生物发光的遗传代码插入普通、无毒、非致病性细菌中，以产生清洁、安全、合成的生物光源。一旦细菌经过改造和生长，就会被封装在一个透明的外壳中，并提供它们生存和发光所需的营养物质。这种照明解决方案可以无限期地呈指数级增长，几乎不需要基础设施，也不需要开采任何自然资源。

2019年，朗布依埃市政府与Glowee公司签订了合作协议，并投资10万欧元，将该镇变成一个“全面的生物发光实验室”。朗布依埃公共空间负责人Guillaume Douet认为，如果实验成功，它可能促进全国范围内的转变。Douet说：“这是一个关于未来的城市。如果该原型真的有效，我们可以大规模的部署，并取代目前的照明系统。”

然而，Vanderbilt大学生物科学教授Carl Johnson则认为，在生物发光能够获得大规模部署前，仍然存在着严重的挑战。首先，喂养细菌并在生长过程中稀释它们并非易事。此外，生物发光将非常依赖于环境温度。再则，较普通电灯来说，生物发光是非常暗淡的。

Glowee在盐水和混合营养物质中培养海洋细菌

费氏弧菌——这种细菌在获得氧气时会发光

如今，Glowee团队正在努力通过将细菌置于不同的温度和压力下，提高其产生的光强度。Glowee表示它的细菌可以产生每平方米15流明的亮度输出——虽然没有达到公园和花园公共照明所需的每平方米25流明，但也相差不远。比较来说，一个220流明的家用LED射灯灯泡在每平方米地面可产生约111流明的光。

Sandra Ray说：“我们正在一点一点前进，但已迈出了巨大的步伐，我们的照明理念是对人类所面临危机的回应。”

另一种解决方案：荧光素酶

卡迪夫大学生物科学学院的讲师Catrin Williams曾研究过细菌的生物发光，她同意长期维持活体细菌培养是“困难的”，因为需要供应源源不断的营养物质。

但Williams认为通过“化学发光”可以解决问题，它消除了对活体细菌的依赖。Glowee目前也在研究这一课题——使生物发光的酶，即荧光素酶，理论上可以从细菌中提取，并用于生产光。

世界各地的其他举措也进一步提供了希望之光。位于温哥华的Nyoka设计实验室正在开发一种可生物降解的荧光棒替代品，使用非生物、无细胞的酶，创造者说这些酶比活的细菌更容易维护。创始人兼CEO Paige Whitehead说："这就好像我们不使用整辆车，而只是把车头灯拿出来。酶学已经发展到了我们不再需要依赖细胞支持系统的程度。"

通常传统的荧光棒所含的化学物质混合物，使用后不能进行回收。Whitehead说：“这么多的浪费是不必要的。我们的愿景是让替代性照明系统更具可持续性。”

合成生物学：“杂交”发光植物

2020年4月发表在Nature Biotechnology的一项研究显示，一个生物工程师团队与位于莫斯科的生物技术创业公司Planta LLC合作，创造了一种在植物中维持生物发光的方法，这是对这一愿景的重大突破。

他们将荧光蘑菇的DNA注入到烟草植物中，使其每分钟发射超过10亿个光子，实现了“肉眼可见的自我持续发光”。这项新的研究建立在确定了真菌版本的荧光素的基础上，荧光素是生物发光所必需的独特化合物之一。

30年前，科学家Keith Wood利用萤火虫的基因创造了第一种发光植物，他说这项技术可以部分取代LED等人工照明。最近，他发现通过改变在深海中发现的一种荧光素酶的遗传结构，其亮度可以提高250万倍。由此产生的酶，研究人员称之为NanoLuc，也比在萤火虫中发现的荧光素酶要亮150倍。

Keith Wood说：“合成生物学在生物发光上的应用是一个巨大的机会。”他现在正在为Light Bio公司开发一种生物发光的植物。

然而，这些转基因生物发光植物将来究竟如何使用，仍有待商榷。雅典的一组设计师在希腊开放大学Olympia Ardavani的带领下，提出了在道路两旁种植大量生物发光植物以提供环境照明的设想。他们估计，如果能生产出一种植物，每株植物能发出约57流明的光，那么在道路两侧每30米种植40株植物，就可以满足欧洲人行道路所需的最低等级的街道照明。