Luciferase
Definition
Luciferasen sind Enzyme, die durch eine katalysierte Reaktion Licht erzeugen können. Diese Biolumineszenz findet sich natürlich in einigen Organismen. Luciferasen haben einen vielfältigen Anwendungsbereich in der Biotechnologie.
Biochemie
Das Enzym bindet und oxidiert mithilfe von Sauerstoff das Molekül Luciferin. Dadurch wird dieses energetisch angeregt. Sobald es auf den Grundwert zurückfällt, wird Licht im sichtbaren Bereich (gelb-grün) abgegeben.
Das heterozyklische Substrat Luciferin wird bei dieser Reaktion decarboxyliert, CO2 wird abgespalten. Dieses Produkt wird als Oxyluciferin bezeichnet. Die Abspaltung von CO2 führt zu dem energetisch angeregten Zwischenprodukt. Die Energie der Reaktion wird durch ATP bereitgestellt und benötigt Sauerstoff.[1]
- Luciferin + O2 + ATP → Oxyluciferin + CO2 +AMP + PPi + Licht (durch Luciferase)
siehe auch: Luciferin-Luciferase-System
Struktur
Die Luciferase des Glühwürmchens (Photinus pyralis) ist eine Oxygenase mit einem Molekulargewicht von 62 kDa. Sie besteht aus zwei Domänen. Die größere Domäne besteht aus einem β-Barrel und zwei β-Faltblättern. An diese grenzt jeweils eine α-Helix. Die zweite Domäne ist deutlich kleiner und besteht aus β-Faltblättern.[1]
Verwendung in der Biotechnologie
Die Luciferase des Glühwürmches eignet sich besonders für biotechnologische Verfahren, da es die höchste bekannte Quantenausbeute besitzt, also pro oxidiertem Luciferin fast ein Photon abgibt.
Das Protein Luciferase wird zu Quantifizierung von ATP verwendet. Dies geschieht beispielsweise bei der Pyrosequenzierung. Hier führt der Einbau eines Nukleotids zur Bildung von ATP, das anschließend mit der Luciferase reagiert und einen messbaren Lichtblitz abgibt.
Die Luciferase kann auch ähnlich wie GFP in Reporter-Assays verwendet werden. Dazu wird das untersuchte Gen mit dem Gen für die Luciferase gekoppelt.
Alternative Luciferasen
Die meisten bekannten Luciferasen benötigen ATP für die durchgeführte Reaktion. Die Koralle Renilla reniformis benötigt nur das Molekül Coelenterazin und Sauerstoff. Dieses als Renilla-Luciferase bekannte Enzym ist kleiner (36 kDa) und emittiert blaues Licht. Durch ihre Unterschiede in Substrataffinität und emittierter Wellenlänge können die klassische Luciferase und die Renilla-Luciferase parallel in einem Test verwendet werden.
Bioluminiszente Bakterien besitzen ebenfalls eine Luciferase. Diese benutzen reduziertes Flavin, Sauerstoff und ein Aldehyd um Licht im sichtbaren blauen Spektrum zu erzeugen.[2][3]
Quellen
- ↑ 1,0 1,1 Conti, E., Franks, N. P. & Brick, P. Crystal structure of firefly luciferase throws light on a superfamily of adenylate-forming enzymes. Structure 4, 287-298 (1996).
- ↑ Nakatsu, T. et al. Structural basis for the spectral difference in luciferase bioluminescence. Nature 440, 372-376, doi:10.1038/nature04542 (2006).
- ↑ Tinikul, R. & Chaiyen, P. Structure, Mechanism, and Mutation of Bacterial Luciferase. Adv Biochem Eng Biotechnol 154, 47-74, doi:10.1007/10_2014_281 (2016).