Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 11/2016 [31]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

1. Phát quang sinh họcPhát quang sinh học là sự sản sinh và

phát xạ ánh sáng bởi sinh vật. Nó cũng làmột hình thức của phát quang hóa học.Phát quang sinh học xảy ra rộng rãi ở sinhvật có xương sống và không có xương sốnghoặc trong một số loại vi tảo, vi nấm, visinh vật, trong đó có một số vi khuẩn phátquang sinh học và động vật không xươngsống trên cạn như đom đóm. Ở một số loàiđộng vật, ánh sáng được tạo bởi sinh vậtcộng sinh như vi khuẩn Vibrio. Sự sản sinhánh sáng bởi một sinh vật thông qua mộtphản ứng oxy hóa khử xúc tác bởi enzymeluciferase tác dụng lên một cơ chất đặc biệtluciferin [2]. Các loài khác nhau sử dụngcơ chế hóa học khác nhau do các cơ chấtcủa phản ứng như: FMNH2 và chuỗi dàialdehyde béo (ở vi khuẩn), ATP và O2 (ởđom đóm), tetrapyrrole (ở tảo), illudins (ởnấm), imidazopyrazinones (ở mực và tôm);ánh sáng sản sinh qua sự phân rã của mộtelectron từ trạng thái kích thích và nănglượng chuyển dời của electron được chuyểnthành năng lượng ánh sáng ở bước sóng

PHÁT QUANG SINH HỌCKỶ NGUYÊN MỚI CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

n Nguyễn Dương Tuệ

nhìn thấy. Ánh sáng có bước sóng λ=440nm (màuxanh), 560nm (màu vàng), 612nm (màu đỏ cam) và675nm (cận hồng ngoại).

Tuy nhiên, phản ứng luciferin luciferase khôngphải là cách duy nhất của các sinh vật. Một số sinhvật thay vì luciferin, chúng có photoprotein, aequorinnhư ở Chaetopterus là một bọ giun nhiều tơ ở biểnnằm trong các trầm tích hoặc gắn vào đá, san hô. Khicác ion canxi được thêm vào, aequorin nhanh chóngđược xúc tác tạo ra một đèn flash khá ngắn gọnkhông giống như ánh sáng kéo dài doluciferase. Trong sứa Aequorea victoria, ánh sángmàu xanh phát ra bởi aequorin khi tiếp xúc với cácion canxi được hấp thụ bởi protein huỳnh quang màuxanh lá cây nên lần lượt phát ra ánh sáng màu xanhlá cây[9].

2. Các loại luciferinLuciferins là một nhóm các phân tử nhỏ được oxy

hóa trong sự hiện diện của các enzyme luciferase đểcho oxyluciferin và năng lượng phát ra dướidạng quang năng (ánh sáng). Người ta không biết cóbao nhiêu loại luciferins nhưng tất cả đều sửdụng oxy trong phản ứng để phát ra ánh sáng[7].Dưới đây là một số luciferin mà ta có thể biết: 1/Firefly là luciferin tìm thấy trong nhiều loài thuộc họ

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 11/2016 [32]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

đom đóm (Lampyridae), là cơ chất của luciferase chịutrách nhiệm cho sự phát xạ ánh sáng vàng đặc trưng từđom đóm. Phản ứng cần có adenosinetriphosphate (ATP) cung cấp năng lượng. 2/ Latia lu-ciferin có ở loài ốc nước ngọt Latia neritoides. 3/ Lu-ciferin vi khuẩn là một loại luciferin tìm thấy trong vikhuẩn, một số đó sống trong các mô “chuyên biệt” củamột số mực và cá. Các phân tử này có chứa riboflav-inphosphat. 4/ Coelenterazine là luciferin được tìmthấy trong rất nhiều sinh vật thủy sinh. Nó là cơchất của nhiều luciferases như Renilla reniformis-luciferase, Gaussia luciferase, và photoproteins, baogồm aequorin, obelin. Aequorin làmột holoprotein bao gồm hai thành phần riêngbiệt, apoprotein đỏ được gọi là apoaequorin, có khốilượng phân tử 21 kDa, và nhóm phối hợp coelenter-azine, các luciferin được phân lập từ Aequorea victo-ria (còn gọi là sứa pha lê) tìm thấy trong loài sứa ngoàikhơi bờ biển phía Tây của Bắc Mỹ - loài được biết đếnnhư là nguồn gốc của hai loại protein tham gia vào phátquang sinh học; aequorin, một photoprotein và proteinhuỳnh quang màu xanh lá cây[10]. 5/ Tetrapyrrole là

luciferin của tảo lục (khi R=H), tôm euphausiid(R=OH). Luciferin tảo là một chất như diệplục (tức là một tetrapyrrole) được tìm thấytrong một số loài tảo, thường là nguyênnhân cho hiện tượng sóng phát sáng banđêm (trước đây do hiểu nhầm mà gọi là lânquang)[5]. 6/ Vargulin được tìm thấytrong một số ostracods (loại giáp xác bénhỏ ký sinh trên con sò) và cá biểnsâu. Giống như hợp chất coelenterazine, nólà một imidazopyrazinone và phát ra ánhsáng yếu màu xanh ở các động vật [5].

3. Cơ chế phát quang sinh họcPhản ứng hóa học chủ yếu trong phát

quang sinh học liên quan đến các sắc tốphát sáng luciferin và enzyme luciferase,có sự hỗ trợ của các protein khác như ae-quorin ở một số loài. Các enzyme xúc táccho các quá trình oxy hóa của luciferin, tạothành oxyluciferin. Năng lượng chuyển dờicủa các điện tử trong phản ứng đó đượcchuyển thành năng lượng ánh sáng.

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 11/2016 [33]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

Phản ứng phát quang xúc tác bởi Fireflyluciferase ở đom đóm cho thấy; Fireflyluciferase, sử dụng năng lượng của ATP(adenosintriphosphat), enzim xúc tác quátrình oxy để cho oxyluciferin, năng lượngđược giải phóng dưới dạng năng lượng ánhsáng tại λ=560 nm có màu vàng.

Theo Haddock et al.(2006), hầu hết cácánh sáng phát xạ ở sinh vật biển trong phổánh sáng màu xanh và xanh lá cây bởi lýdo: 1/ ánh sáng màu xanh - màu xanh lá cây(bước sóng khoảng 470nm) truyền xa nhấttrong nước; 2/ hầu hết các sinh vật chỉ nhạyvới ánh sáng màu xanh, thiếu sắc tố thịgiác cho các bước sóng dài hơn hoặc ngắnhơn. Tuy nhiên, một số loài cá trong chiMalacosteus như Malacosteus niger sốngtrong các đại dương trên thế giới từ nhiệtđới đến các vùng nước cận Bắc cực phát ramàu đỏ (gần hồng ngoại) ánh sáng mà nócó thể sử dụng để quan sát con mồi. Bêncạnh đó, từ một cơ quan riêng biệt nó cũngtạo ra ánh sáng màu xanh - màu xanh lá cây(Haddock et al. 2006).

4. Sử dụng phát quang sinh học4.1. Trong tự nhiênHaddock et al (2010) cho rằng, phát

quang sinh học có một số chức năng khácnhau như: bảo vệ, ngụy trang, đánh lạchướng đối thủ, báo động, cảnh báo để ngănchặn định cư; thu hút để tấn công, soi sángcon mồi; giao phối và thu hút bạn tình...Nhiều loài động vật biển, trong đó có nhiềuloài mực, phát quang sinh học của vi khuẩnđược sử dụng để ngụy trang nhờ “áo giáp”phát sáng phù hợp với ánh sáng môi trườngnên kẻ thù nằm ở phía dưới nhìn lên khó

thấy. Hoặc đom đóm Fireflies dùng ánh sáng để thuhút bạn tình. Trong môi trường biển, loài giáp xácnhỏ, kích thước thường khoảng 0,2-30mm ký sinhtrên sò sử dụng hiện tượng phát quang để thu hútngười bạn đời chủ yếu được biết đến trong lớp Os-tracoda. Lớp này có 23.000 loài, trong đó có khoảng1.000 loài sử dụng pheromone để liên lạc đường dàivà phát quang sinh học được sử dụng ở cự ly gần đểcho phép bạn tình đến “nhà ở” [10]. Nhiều động vậtthân mềm, trong đó có ít nhất 70 chi của mực, là phátquang sinh học để phòng vệ[9]. Một số mực vànhỏ động vật giáp xác sử dụng hỗn hợp hóa chất phátquang và tung ra đám mây vật chất phát quang, làmkẻ thù mất tập trung hay đẩy lùi kẻ thù để trốn thoátan toàn[20]. Những loài ốc đá Latia neritoides làmột loài ốc nước ngọt nhỏ đặc hữu ở Bắc đảo NewZealand, kích thước chỉ 8,5x6x3mm (LxDxH), chiềurộng của vỏ là 6mm, tạo ra chất nhầy phát quang màuxanh lục để cảnh báo khi có động vật ăn thịt[37].Ốc biển Hinea brasiliana trong họ Planaxidae sửdụng đèn flash của ánh sáng, để ngăn chặn kẻthù. Ánh sáng màu xanh - màu xanh lá cây đượcphát ra thông qua vỏ trong suốt, có chức năng nhưmột bộ khuếch tán hiệu quả của ánh sáng[12]. HoặcPyrosomes trong chi Pyrosoma, sinh vật phù du (dài1cm) trôi nổi tự do ngoài khơi đảo Atauro, ĐôngTimor, hàng ngàn cá thể tụ tập thành một đám dàiđến vài mét, chúng có vỏ nhầy. Mỗi cá thể trongkhuẩn lạc nhấp nháy ánh sáng màu xanh - màu xanhlá cây để thông tin giữa các thành viên trong việcđiều tiết phát quang trong nhiều loài vi khuẩn[20].Hoặc Quantula striata là động vật thân mềm duynhất trên cạn, vỏ của một con lớn dài 16-27mm,trứng của nó phát sáng trong bóng tối, hầu hết cá thểtrưởng thành phát ra tia sáng màu xanh lá cây. Cácxung ánh sáng được phát ra từ một tuyến gần phíatrước của bàn chân và có thể thực hiện chức năng

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 11/2016 [34]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

giao tiếp[11].Phát quang sinh học cũng được sử dụng

bởi một loạt các động vật để bắt chước cácloài khác. Nhiều loài cá biển sâu như các bộcá vảy chân và Dragonfish sử dụng sự bắtchước tích cực để thu hút con mồi. Nó cómột phần phụ trên đầu họ gọi là Esca cóchứa vi khuẩn phát quang sinh học có thểtạo ra một ánh sáng lâu dài mà loài cá cóthể kiểm soát. Các Esca phát sáng được treolơ lửng để thu hút động vật nhỏ. Trong khihầu hết phát quang sinh học biển là màuxanh lá cây sang màu xanh, Stomiidae làmột họ của cá tia vây ở biển sâu, có râu vànhỏ (khoảng 15-26cm) như Astronesthesniger trong chi Aristostomias, Pachysto-mias phát ra ánh sáng màu đỏ. Sự thíchnghi này cho phép chiếu sáng cá để “ngắm”và theo dõi con mồi sắc tố đỏ, thường vôhình trong môi trường đại dương sâu do ánhsáng đỏ đã được lọc ra bởi cột nước. Haycác Dragonfish - nhóm cá nhỏ phátquang biển sâu có Malacosteus niger màu

đen, chiều dài 25,6cm, sống trong các đại dương trênthế giới từ nhiệt đới đến các vùng nước cận BắcCực được cho là một trong những loài cá chỉ để tạora một ánh sáng màu đỏ[4].

4.2. Trong công nghệ sinh họcNgày nay, người ta xem nghiên cứu phát quang

sinh học có nghĩa là đã đưa công nghệ sinh học bướcvào một kỷ nguyên mới và sản xuất ánh sáng với hyvọng để tiết kiệm năng lượng, làm sạch môitrường. Từ những năm 1920, để được an toàn trongcác hầm mỏ than, ở Anh và châu Âu đã sử dụngnhững chai đom đóm, da cá khô có vi khuẩn phátquang như một nguồn ánh sáng yếu. Hình thức thửnghiệm này để chiếu sáng tránh được sự cần thiết củanhững người “liều mạng” sử dụng nến đốt sáng làmnên các vụ nổ của khí mỏ than vào năm 1861.

Năm 2014, nhà hóa sinh học người Pháp PierreCalleja đã thiết kế một “đèn sinh thái” hấp dẫn, đènphát sáng mà không cần đến nguồn điện và thân thiệnvới môi trường. Đèn là một ống chứa đầy tảo lục từmột chủng được lựa chọn. Nó có thể thắp sáng đườngphố và nhà để xe. Nó không chỉ cắt giảm năng lượngmà còn cắt giảm được một lượng khí nhà kính (CO2)

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 11/2016 [35]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

bởi giống tảo được lựa chọn này có khảnăng đồng hóa (CO2) gấp 150-200 lần sovới các cây khác. Một ngọn đèn có thể hấpthụ khoảng một tấn (CO2) từ không khí chỉtrong một năm. Ban ngày vi tảo quang hợp,tổng hợp hữu cơ cực mạnh, ban đêm oxyhóa chất hữu cơ và năng lượng được phátra dưới dạng quang năng (ánh sáng). Nếucác loại đèn được sản xuất hàng loạt, thì nógóp phần tích cực trong chặng đường dàihướng tới cuộc chiến chống biến đổi khíhậu và giảm thiểu ô nhiễm không khí bởikhí nhà kính. Điều thú vị là từ những đènnày, ta còn thu gom luôn được sinh khối vitảo và đó là nguồn Omega 3 quan trọng,gồm đủ 3 loại aicd béo thiết yếu như:Eicosapentaenoic acid (EPA), Docosa-hexaenoic acid (DHA), Docosapentaenoicacid (DPA). Đây là những loại chỉ có nhiềuvà chủ yếu trong các loài cá vùng biển lạnhnhư cá hồi, cá tuyết và hải cẩu[1].

Việc sử dụng các kỹ thuật di truyền đãtạo ra những cây, con chuyển gen phátquang sinh học. Bằng việc sử dụng gen phátsáng của vi khuẩn Luminescent bacteria,Vibrio fischeri, Photobacterium phospho-reum, tái tổ hợp gen trong plasmid của vikhuẩn Escherichia coli (E.coli) để gen đóbiểu hiện. Với khả năng sinh sản cực kỳmạnh mẽ của E.coli, chỉ 20-30 phút/thế hệthì sẽ nhanh chóng có lượng sinh khối vikhuẩn đủ để đáp ứng cho sản xuất các bóngđèn phát quang sinh học. Một công ty tạiPháp đang khai thác sức mạnh của vi khuẩn

phát quang để thắp sáng một số khu vực công cộng.Ở Paris, Công ty Glowee bắt đầu thực hiện kế hoạchsử dụng đèn vi khuẩn tại các cửa hàng, không giancông cộng. Với ý tưởng táo bạo hơn nhằm thắp sángtoàn bộ đường phố với các loại đèn của vi sinh vật.Với ánh sáng tiết kiệm năng lượng làm từ vi khuẩnphát quang sinh học tìm thấy trong mực (Vibrio fis-cheri) và với sản phẩm độc đáo này sẽ cung cấp, thaythế cho điện chiếu sáng vào ban đêm, phục vụ nhữngnơi không có điện và để cắt giảm ô nhiễm ánh sáng.Trên ý tưởng đó, trong năm 2015, họ đã cho ra nhữngsản phẩm đầu tiên[8].

Các đèn chiếu sáng này được làm bằng nhựa, cóchứa dung dịch nuôi cấy vi khuẩn phát quang sinhhọc Aliivibrio fischeri. Loại vi khuẩn được tìm thấytrong sinh vật biển như Sepiolida Hawaii, phát quangmạnh mẽ nhưng không độc hại và không gây bệnh.Từ vector plasmid tái tổ hợp mang gen phát quangsẽ chuyển vào các cây xanh đường phố công viên haycác cây cảnh, cá cảnh. Thông qua kỹ thuật di truyềncác gen chịu trách nhiệm về phát quang sinh họcđược chuyển vào tế bào và nuôi cấy để cho vô số cáccây có khả năng phát ra ánh sáng, một ánh sáng rựcrỡ và liên tục.

Tại Nhật Bản, các nhà khoa học cũng đã thànhcông trong việc làm sáng tỏ những bí ẩn về cấu trúcprotein ở đuôi phát sáng của đom đóm Luciola cru-ciata, Motschulsky, được xem là có hiệu quả phátsáng cao nhất của bất cứ nguồn sáng nào đã được biếtđến. Các kết quả của nghiên cứu được thực hiện bởiViện Vật lý - Hóa học ( RIKEN ) và Đại học Kyotođược công bố ngày 16/3/2015 trên Tạp chí Khoa họcNature của Anh. Nhóm nghiên cứu đã thành côngtrong việc thay đổi màu sắc phát ra từ màu vàng xanh

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 11/2016 [36]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

bình thường của nó sang màu cam và đỏ.Các nhà nghiên cứu đang cố gắng để tái tạoánh sáng xanh của đom đóm biển (Vargulahilgendorfii) và đom đóm mực (Watase-nia scintillans) để có nhiều màu sắc hấpdẫn (RIKEN, 2006). Theo giáo sư HiroakiKato - Đại học Kyoto thì điều này có thểhữu ích trong các ứng dụng như chiếu sángkhẩn cấp ngắn hạn khi không có nguồnđiện.

Nếu xem hiệu quả phát sáng là thước đotỷ lệ năng lượng cung cấp cho một nguồnsáng chuyển đổi thành năng lượng ánh sángthì hiệu quả chiếu sáng của bóng đèn sợi đốtlà khoảng 10% trong khi ánh sáng huỳnhquang là khoảng 20% và LED là khoảng30%. Firefly ở đuôi đom đóm là cao hơnđáng kể, ở mức 90%. Các nhà khoa học đãnhận thức được rằng, đuôi đom đóm sử dụngluciferase kết hợp với luciferin (một cơ chấtphát sáng), adenosine triphosphate (ATP) đểtạo ra ánh sáng và có thể một ngày nào đó,trở thành hiện thực với các cây phát quangsinh học biến đổi gen với khả năng phátquang của đom đóm, sứa sẽ phát triển, thựcsự phát sáng trong bóng tối, cung cấp đủ ánh

sáng để thay thế đèn ở đường phố[3]. Tại Hoa Kỳ,người ta cũng đã triển khai dự án cây phát sáng ở Cal-ifornia, về bản chất là tiêm gen phát quang sinh họcvào thực vật có hoa. Những bộ gen đom đóm đượcsưu tập sau đó nhân bản ADN để chuyển vào cây mụctiêu trong các cây tại Lab Glowing. Theo AntonyEvans - chủ dự án, cây phát sáng là một biểu tượngcủa tương lai, một biểu tượng của sự bền vững, truyềncảm hứng cho những người khác và để tạo mới cácsinh vật sống.

Trong công nghệ sinh học di truyền, người ta chúý đến chuyển gen phát sáng cho động vật làm sinhvật cảnh. Chẳng hạn, người ta không chỉ chuyển gencho cá thần tiên, cá chọi phát ra ánh sáng màu hồngmà chuyển các gen khác nhau tạo ra những con cácảnh có màu sắc phong phú và rực rỡ [3][6]. Mộtthực tế là sự phát triển của những nghiên cứu về phátquang sinh học không chỉ tạo ra những bóng đèn sinhthái ở đường phố, bến xe, bến tàu hay những cây phátsáng ở đường phố, cung đường giao thông, sân golf,công viên… mà thực sự đã có những đóng góp quantrọng trong việc tạo ra các sản phẩm sinh vật cảnh.Đó là những chậu hoa, bể cá, cây cảnh phát quangsinh học nhiều màu sắc hấp dẫn vừa có lợi ích vềkinh tế, vừa có thể xem đó là những tác phẩm nghệthuật sinh vật cảnh mang hơi thở của thời đại./.

Tài liệu tham khảo

1. BIBEK POKHAREL (2014), This Micro - Algae Lamp Absorbs 150-200 Times More CO2 than a Tree.2. Callaway, E. 2013, Glowing plants spark debate. Nature, 498:15-16, 04 June 2013. 3. Colleen Salvatore (2015), Are Bioluminescent Trees Possible?. 4. Di Rocco, et al.(2012), “Analysis of biodistribution and engraftment into the liver of genetically modified

mesenchymal stromal cells derived from adipose tissue”, Cell Transplantation 21 (9). 5. Dunlap, JC;et al (1980), “Crossreactivity between the light-emitting systems of distantly related organ-

isms: Novel type of light-emitting compound”. 6. Donna Dickens (2012), Genetically Engineered Bioluminescent Fish. 7. Hastings JW (1983), “Biological diversity, chemical mechanisms, and the evolutionary origins of biolu-

minescent systems”, J. Mol. Evol. 19 (5). 8. Jordan Rosenfeld, (2016), Bioluminescent bacteria may light up paris nights.25, Luisa Monje (2012),

ecological lamps Aucune description. 9. Morise, H et al (1974), “Intermolecular energy transfer in the bioluminescent system of Aequorea”, Bio-

chemistry 13 (12).10. Shimomura O,et al(1962,1999), “Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent

protein from the luminous hydromedusan, Aequorea”.11. Thomas Eisner,et al (1997), “Firefly “femmes fatales” acquire defensive steroids (lucibufagins) from

their firefly prey”. 12. Young, Richard Edward (1983), “Oceanic Bioluminescence: an Overview of General Functions”, Bul-

letin of Marine Science 33 (4).