لومینسانس پدیده ای در دنیای زیستی می باشد که در طی آن نور توسط جانداری ساطع می شود. آنزیم‌های کلیدی کاتالیز کننده این دسته از واکنش‌ها، با نام عمومی لوسیفراز شناخته می‌شوند.

دو قسمت مهم در این پدیده، آنزیم لوسیفراز و پیش ماده ی آن یعنی لوسیفرین می باشد. این آنزیم در حشراتی مانند کرم شب تاب، باکتری ها، دینوفلاژه ها و کیسه تنان وجود دارد، اما در هر کدام ساختار آن متفاوت می باشد. هم اکنون از این آنزیم در بسیاری از فرآیندهای تشخیصی و بالینی استفاده می شود. 

آنزیم لوسیفراز حشره شب‌ تاب یکی از مهم‌ترین آنزیم های صنعتی است که به طور وسیع در زمینه‌ های مختلف پزشکی، بیوتکنولوژی و بیولوژی سلولی و مولکولی کاربرد دارد. این آنزیم، به دلیل داشتن خصوصیاتی هم چون حساسیت بالا، تکرار پذیر بودن و قابلیت اندازه‌گیری کمی آن، کاندیدای بسیار مناسبی در زمینه تصویر برداری های بیولومینسانس در شرایط طبیعی و در سیستم های گزارشگر می‌باشد.  

کاربرد های آنزیم لوسیفراز

آنزیم لوسیفراز به عنوان ابزاری کارآمد وسودمند در زمینه های مختلف مثل بیوتکنولوژی، زیست شناسی سلولی و مولکولی، پزشکی، صنعت و تحقیقات مورد استفاده واقع می شود. ویژگی های منحصر به فرد این آنزیم مانند حساسیت بالا به ATP در فرآیند لومینومتری باعث شده که از آن در جهت تشخیص آلودگی های میکروبی، تهیه کیت های تشخیصی و حسگر های زیستی، توالی یابی DNA به روش پیروسکونسینگ، ارزیابی فسفاتاز ها، غربالگری دارو ها، بررسی برهمکنش و تاخوردگی پروتئین ها، سنجش آنزیمی، سنجش زیست پذیری به کار گرفته شود.

اندازه گیری ATPتوسط آنزیم لوسیفراز

  در همه سلول ها  ATP  وجود دارد و سطح انرژی سلول توسط این مولکول ارزیابی می شود پس از آن می توان به عنوان معیاری جهت ارزیابی تعداد سلول های زنده در محیط استفاده نمود. به همین منظور ATP تولید شده در سیستم های زیستی با سنجش آنزیمی لوسیفراز اندازه گیری می شود. این سنجش ATP  می تواند به جهت آگاهی از آلودگی های میکروبی در آب و مواد غذایی استفاده گردد و یا درصنایع دارویی و بیوتکنولوژی برای آگاهی از تکثیر سلولی، سمیتوخودکشی سلولی،استفاده شود.

باکتری های بیولومینسانس نور آبی در طول موج بین 450-490 ناتومتر در شرایط عادی از خود منتشر می کنند. با اضافه نمودن این ها به نمونه ای که دارای غلظت مشخصی از مواد مهارکننده می باشد شدت نور منتشر شده توسط این باکتری ها تغییر کرده پس میزان نور انتشاری به میزان سمیت مواد مهار کننده بستگی دارد. از لوسیفراز جهت سنجش سمیت و بررسی کیفیت آب به عنوان بیوسنسور استفاده شده است.

روش های سریع و حساس جهت ارزیابی و سنجش کیفیت و آلودگی مواد غذایی از نظر میکروبی دارای اهمیت بسزایی می باشد. باتوجه به اینکه سلول های زنده دارای ATP هستند استفاده از روش های سنجش  ATP بیولومینسانس جهت بررسی سریع و شناسایی باکتری (منابع آلوده کننده ای که ممکن است در پروسه حمل ونقل مواد غذایی، تولید و فرآوری، ذخیره سازی و انبار داری به محصول منتقل شوند) را میسر می سازد. در اصل سنجشATP بیولومینسانس روش شمارش میکروبی نیست، اما حساسیت آن جهت ارزیابی محتوای ATP در سلول  منفرد  بالا می باشد. شدت نور منتشر شده توسط آنزیم لوسیفراز رابطه ای مستقیم با سلول های باکتری موجود در نمونه و ATP تولید شده توسط آن ها دارد.

استفاده از انزیم لوسیفراز جهت سیستم ژن گزارشگر

این سیستم به عنوان شاخصی جهت مطالعات بیان ژن و وقایع سلولی مرتبط با آن نظیر فعالیت رسپتور، انتقالات سیگنال های درون سلولی، پردازش mRNA و برهمکنش های پروتئین – پروتئین و پیچ خوردگی آن ها بکار گرفته می شود. عموما یک ژن گزارشگر با توالی DNA مورد نظر در وکتور بیانی کولون شده و به سلول منتقل می شود. نتیجتا به دنبال انتقال موارد مذبور به سلول، به منظور سنجش وجود گزارشگر، اندازه گیری میزان پروتئین و فعالیت آنزیم بکار گرفته می شود.

مطالعات مربوط به تداخل RNA

تداخل RNA (RNAi) مکانیسمی است که در مرحله ترجمه باعث مهار بیان ژن و یا از رونویسی بعضی از ژن ها امتناع می کند. siRNA، ابزاری به منظور فرآیند تداخل RNA با توالی نوکلئوتیدی مکمل با رشته RNA هدف می باشد. مطالعات صورت گرفته، مبتنی براین مطلب است که DNA های آنتی سنس siRNA توانایی مهار فعالیت لوسیفراز به عنوان گزارشگر در سلول های پستانداران را دارد.

ارگانیسم های تشکیل دهنده اسپور و بیولومینسانس

لوسیفراز باکتریایی در ارگانیسم های گرم مثبت و حتی گرم منفی می تواند عملکرد داشته باشد. اسپور های حاصل از سلول های رویشی دارای فنوتیپ بیولومینسانس تیره هستند. در آغاز جوانه زنی اسپور ها، فرآنید انتقال الکترون و استارت متابولیسم زده می شود. در اسپور های دارای ژن Lux جوانه زنی همراه با ساطع نمودن نور است که این خود بررسی دقیق زمان جوانه زدن و پروسه رشد را محیا می نماید و متعاقبا درصورت بروز آسیب و یا از بین رفتن اسپورها قادر به جوانه زنی نبوده، نتیجتا نوری ایجاد نمی شود.

گزارش گر های زیستی (Bioreorters)

گزارشگر های زیستی سلول های میکروبی زنده و مهندسی ژنتیک شده اند که سیگنال های قابل اندازه گیری از خود در مواجهه با عوامل فیزیکی و یا شیمیایی خاص در محیط تولید می کنند. چندین نوع ژن گزارشگر برای استفاده در  Bioreorters استفاده شده است. سیگنال های تولید شده توسط آن ها با روش های فلوریمتری، الکتروشیمیایی، کالریمتری و لومینسانسی قابل ارزیابی است که در بین همه اینا گزارشگر هایی بر پایه لومینسانس دارای حساسیت ویژه ای هستند. انواع گوناگونی از گزارشگر ها بر مبنای ژن های لوسیفراز به وجود آمده است. با ادغام نمودن نمونه با یون منیزیم و دی - لوسیفرین محلول و ATP  آنزیم لوسیفراز فعالیت می کند که نتیجتا نور در طول موج معین (560نانومتر) در کسری از یک ثانیه تولید شده و نور ساطع شده قابل اندازه گیری با دستگاه های تشخیص نور مانند لومینومتر است.

ارزیابی سلول

میزان  ATP در سلول های پستانداران به طور دقیق کنترل می شود حتی موقعی که سلول بمیرد سنتز ATP متوقف می شود. از آنزیم لوسیفراز می توانیم به عنوان ابزاری جهت سنجش سطح ATP  سلولی برای ارزیابی حیات سلول و ارزیابی فعالیت کیناز استفاده نماییم.

تصویر برداری  زیستی (Invivo imaging)

روشی است دینامیک و غیر مخرب که وقایع داخل ارگانیسم را گزارش می کند. در این روش ردیابی کردن تغییرات صورت گرفته به صورت همزمان و کمی قابل انجام است. در روش های بیوشیمیایی و ژنتیک سنتی لازمه بررسی تغییرات بیولوژیک تخریب سلول ها است. در روش سنتی تصویر برداری زیستی از پروب های رادیو اکتیو استفاده می شد که شدت سیگنال این پروب ها وابسته به نیمه عمر واپاشی ایزوتوپ است، مضاف بر آن تزریق پیاپی پروب به منظور تثبیت سیگنال ارسالی میسر نیست. روش تصویر برداری MRI که دقت بالایی دارد اما حساسیت این تکنیک در قیاس با تصویر برداری مبتنی بر لوسیفراز(تصویر برداری بیولومینسانس قدرت آشکار ساختن 10را دارد) بسیار کمتر است.

استفاده از لوسیفراز در تعیین توالی DNA (Pyrosequencing)

روش Pyrosequencing، از روش های تعیین توالی DNA تک رشته ای به صورت غیر الکتروفورزی می باشد در طی این پروسه 4 آنزیم DNA پلی مراز و ATP سولفوریلاز، Apyrase، لوسیفراز باهم سبب راه اندازی سنتز DNA می شوند.

استفادهازلوسيفرازدربررسيميانكنش(پروتئين-پروتئين)، ( پروتئين – ليگاند) يا (ليگاند –گيرنده)بااستفادهازروش BRET (Bioluminesce Resonance Energy Transfer)

روشی است کار آمد و حساس و غیر مخرب  که در مطالعات پروتئومیک کاربردی است. در این روش با استفاده از آنزیم لوسیفراز و پروتئین های که دارای خواص فلورسانسی هستند می توان برهمکنش یک لیگاند یا پروتئین خاص را سنجید. اساس این روش مبتنی بر انتقال انرژی تولیدی توسط نور ساطع شده از لوسیفراز به پروتئین دوم است که فاصله این دو مولفه در میزان نشر نور ایجاد شده وابسته است.

مراحل تولید آنزیم لوسیفراز

تمام مراحل تولید آنزیم لوسیفراز در شرکت تولیدی نوراژن پیشرو انجام شده است.