深海底热液微生物成矿与深部生物圈研究进展.pdf

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1、!第!"卷!第#期!#$$"年#月!+!"专题评述"藻类细胞趋光性机理研究及其显微操作技术进展"温程璐!"!!"""!李!姮!王蓬勃!李!伟!赵井泉!#中国农业大学工学院!北京!$$$%&""#中国科学院化学研究所光化学重点实验室!北京!$$$%$摘要!!趋光性运动是指某些微生物为到达适于自身生长的最佳光环境所做的趋向性运动!多数藻类具有明显的趋光性行为#由于趋光性的过程涉及复杂的生物学"物理学和光化学内容!所以对藻类细胞趋光性的研究仍处于探索阶段#近年来!随着微(纳米技术与传感器技术的发展!藻类细胞趋光性的研究取得了一定进展#文中对藻类细胞趋光性功能体及其光响应和光动力特

2、性的研究进行了综述!介绍了显微视觉研究中的显微跟踪技术与控制技术的新成果#结合作者正在进行的研究工作!初步探讨了细胞趋光性与细胞光合作用之间可能存在的内部联系!提出细胞趋光性机理的研究方向!并指出利用趋光性调控的细胞运动在生物学"医学"微装配等方面的广阔应用前景及面临的挑战#关键词!!趋光性!藻类!光合作用!跟踪!显微操作!!生物利用光的方式有两种!即作为能量的来源本文概述了近年来趋光性功能体的结构和细胞趋&!’和获取环境信息!而光合微生物同时具备了这两光性机理的研究动向!介绍了在细胞趋光性机理研究种利用光的能力#这些能力在微生物的趋光性运动中先进的显微视觉跟踪与控制技术!

3、并对细胞趋光性中有较完整的体现!趋光性是指生物可以朝着光源机理及利用趋光性进行细胞控制的研究进行了展望#的方向定向运动!这种运动可以是靠近光源#正趋!!藻类细胞趋光性功能体光性%和远离光源#负趋光性%#现在普遍认为!趋光性使光合微生物在特殊的物理和化学条件下找到大多数藻类表现出趋光性!它们以感光器官接&"’生长和新陈代谢的最佳光环境!也就是说光合作收光!以运动器官执行趋光运动!如单细胞双鞭毛&&!+’用行为可能是控制趋光性信号转换的主要因素#衣藻#!"#$%&’(%()$*%!在它身体一侧的前端有一由于研究方法和手段的限制!虽然对趋光性的光粒眼点用于接收光!眼点约占细胞表面

4、面积的!;!化学机理研究取得了一定的进展!但一直未能获得结&)’宽为$#’)"-#细胞体前端有两根相对眼点位置论性结果!其中光信号控制微生物趋光性运动的能量不对称的鞭毛!通过它们的拍打驱动细胞运动!鞭与信号传导过程!仍是研究的热点#此外!利用细胞毛不同的拍打形式决定细胞的&种运动形式$趋光的自身(马达)运动!应用光电技术*计算机视觉技&’’运动*避光运动和滑行#图!%#细胞直线运动的术对细胞进行跟踪*控制与操纵!是生物工程与微机同时绕着自身的纵轴旋转!以螺旋线型路径向光源械自动化学科交叉结合*极具挑战性的研究!最终目&*+<’运动!这样细胞体一侧的眼点中的感光器官可标在于实

5、现细胞层次的运输*三维微电子机械系统以持续地接收到光!细胞不断地调整前进方向!始#9,9:%元件组装和对微小生物对象的操作#终朝着光源的方向运动#!"$$’($)("’收稿!"$$’($*("$收修改稿!"国家自然科学基金资助项目#批准号$&$)*$+""%!""通讯作者!,(-./0$123)!4.5#675#48!第!"卷!第#期!#$$"年#月!+"译!其中@:EB在)!$8-波长处有最大的吸收峰值!对高亮度的光有响应"而@:EF的光吸收峰值在+*$8-!对更暗的光有响应!而前者比后者能更&"!!""’快产生光电流!进而调控细胞趋光定向运动#&"&’GDHD>58DH

6、.等的研究表明!这两种感光蛋白具有不同的光饱和度和光谱特性!它们对趋光性运动起不同的作用##$"!功能蛋白质分子结构研究鞭毛基体的纤维束结构由<个圆柱形双联微管图!!单细胞衣藻"种运动方式!’"和"个单独微管中心对组成#对衣藻变异体的分析可知!鞭毛的弯曲运动依赖双联微管间的局部滑#!藻类细胞趋光性分子学机理研究动!由附在每个微管上的多种动力蛋白BIC酶同#$!!参与调控的功能分子研究种物驱动#目前已经在结构*功能上完整地表征衣电子显微镜的研究揭示光感受器眼点位于质膜藻鞭毛动力蛋白!包括超过")个#染色体的%位点&’’上&!$’!眼点中光感受器是视紫红质&!!’!感受光后的变

7、异体#现在!已经成功克隆与测序出+$多&"+’几毫秒内视紫红质可以驱动离子通过细胞膜&!"’种与鞭毛的组装和功能有关的遗传基因#研究表#"A&!&’提出衣藻的趋光性运动与视紫红质蛋白明!鞭毛微管的激活与被活性@.绑定的J.!K有=.>?等直接关联!不能向@."A做应激反应的衣藻突变体则调控的细胞膜内的@."A浓度相关!@."A浓度变化诱不能完成从细胞内基体到鞭毛之间的细胞信号传发鞭毛质膜去极化是鞭毛转动的推动力并调节鞭毛&")’运动形式&!+!!)’导##人们猜测光输入和趋光性运动输出之间信号传导是光(电化学过程!