[00143348]萤火虫生物发光机理的理论研究

萤火虫生物发光已经被应用到活体组织成像、生物传感器、生物芯片、免疫及基因标记分析、报告基因等领域。然而,作为困扰生物和化学家多年的难题,萤火虫生物发光的微观机制远未被彻底阐明。其困难在于无法直接观察到发光过程的任何一个反应,发光体也极不稳定,很难从生物体内提取或实验室合成。模拟生物体内的化学反应,特别是包含激发态的化学反应对理论研究无疑是极大的挑战。本项目的研究成果清晰阐明了萤火虫生物发光的化学起源、发光体及影响发光因素。修正了1977年提出的化学引发电子交换荧光机理,提出了渐进可逆电荷转移引发荧光机理并认为键的断裂和电子转移是协同进行的（发表于J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11632）。该理论研究结论被随后的实验所证实（J. Org. Chem. 2013, 78, 4432?4439）。过去多种氧化荧光素分子都曾被认为或假想为活体萤火虫的发光体,本项目在气相和溶液中研究所有可能的发光体的性质及其之间的可能转化关系,随后在全蛋白环境模拟了在活体萤火虫中所有可能的发光体及它们之间的可能转化关系,明确指出萤火虫生物发光的真正发光体只有一种,即酮式氧化荧光素阴离子。此项研究结束了对该问题长达40年的争论（发表于J. Chem. Theory Comput. 2011,7, 798）。生物发光的一个有趣的现象是,具有与萤火虫同样荧光素分子的许多其它昆虫所发光的颜色不一样。为解释此类现象,实验和理论科学家先后提出五种完全不同的观点。本项目采用QM（CASPT2）/MM结合MD方法模拟了这一类生物发光,否认了其中四种观点（其中最新的一种观点发表在Nature 2006, 440, 372～376）,明确指出荧光素分子周围蛋白环境的极性是造成多颜色发光现象的原因（发表于J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 706）。结论被后期的实验所证实（见J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6485）。本项目诠释了萤火虫生物发光的过程和机理,在JACS等学术期刊发表了二十多篇文章。这些工作引起了国际同行的广泛关注,PhyOrg.com科技新闻网曾报道了我们的部分研究成果（http：//www.physorg.com/news182078718.html）。