暗闇で光るクラゲ、暗闇で光るブタ、そしてなぜ暗闇で光るエビが存在するのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 五蓮花開（若手生物学者）

プロデューサー: 中国科学博覧会

生物発光は非常に一般的な現象です。夏の夜に舞うホタルの舞や、海岸に集まる夜光虫の「青い涙」は、数え切れないほどの人々が訪れ、写真を撮る珍しい光景です。光る物体は見た目がとても美しいですが、食べ物として口に入れるとなると安全性に疑問を感じます。光る寿司の写真がインターネット上で出回っている。寿司は強い光の下では正常に見えますが、暗い場所ではかすかに青い光を発します。

光る寿司

(画像出典: Facebook スクリーンショット)

2020年7月、タイのメディアは光る寿司についてのニュースを報じた。タイ人の少年がこの箱入りの寿司を購入した。彼がスーパーマーケットから出て行くと、照明が徐々に暗くなり、寿司の上のエビの青い光が現れたり消えたりして、完全な暗闇の中で明るい青い光を発しました。彼はこの奇妙な現象を記録し、ビデオを制作してソーシャルネットワークにアップロードし、大きな議論を巻き起こした。

食用となったこのエビはなぜ冷たい青い光を発するのでしょうか？この蛍光食品は食べられますか？これらの問題を解決するには、自然界の蛍光現象から始める必要があります。

豚を光らせる蛍光タンパク質

蛍光タンパク質は、生物発光を引き起こす非常に一般的な要因です。特定の波長の光によって励起されると、対応する色の光を発します。最初に発見された蛍光タンパク質は、1962 年にオワンクラゲで発見された野生型の緑色蛍光タンパク質 (GFP) でした。

オワンクラゲ

(画像出典: Wikipedia)

この種のクラゲの発光原理は比較的複雑です。まず、クラゲの中のエクオリンとセレンテラジンが共有結合して、発光能力を持つ安定した中間体を生成します。形成される共有結合は過酸化物結合です。カルシウムイオンの影響により共有結合が切断され、酸化反応が起こり、青色光が放出されます。この青い光はクラゲの蛍光タンパク質を活性化することができます。

GFP 発光基は青色光の照射下で活性化され、エネルギーの形で緑色の蛍光を発し、ビクトリア オワンクラゲが緑色に見えるようになります。

つまり、その自然な発光プロセスでは、GFP を励起するために青色光を発生させ、その後緑色光を放出することになります。

緑色蛍光タンパク質の発光原理

（画像出典：参考文献1、著者翻訳）

上記の現象に基づいて、現代の生物学では、DNA組み換え技術を使用して蛍光タンパク質遺伝子を適切な細胞にクローン化し、発現させ、その後、蛍光顕微鏡を使用して標識されたタンパク質を生体内で観察します。蛍光顕微鏡は、上記の青色発光プロセスを人工的にシミュレートし、蛍光顕微鏡を使用すると緑色の蛍光が見えるようになります。

GFP 遺伝子の改変により、強化された GFP とより多くの色の蛍光タンパク質が生成され、細胞の活動をより簡単かつ明確に追跡できるようになりました。そのため、蛍光タンパク質は「生物学研究の未来を照らす」ものとしても評価されています。

10年以上前、中国の科学者たちは「光る豚」を飼育した。これらのクローン豚は、特定の波長の励起光の下で、赤、黄、緑、シアンの 4 種類の蛍光を発することができます。

中国科学院広州生物医学衛生研究所が飼育した遺伝子組み換えクローン豚

(画像出典: cas.cn)

では、ニュースでタイ人の手に握られていた寿司エビが淡く光っていたのは、その体内にも蛍光タンパク質が含まれているからでしょうか？残念ながら、そうではありません。蛍光タンパク質は主に刺胞動物に見られ、現在、一般に食用とされるエビに蛍光タンパク質が見つかったという報告はないため、蛍光タンパク質の可能性は基本的に排除できます。

「ルシフェリン-ルシフェラーゼ」発光システム下のプランクトン

夏が始まると、私の国の多くの地域の海岸で「青い涙」現象が発生します。波打つ海面に、まるで海から流れ落ちる青い涙のように青い光の点が現れます。この光景は、夜光虫の群れが一斉に光り輝くことで作り出されます。夜光虫が光る理由は、「ルシフェリン-ルシフェラーゼ」という発光酵素反応に基づいています。

2022年3月13日の夕方、山東省日照市の海岸で筆者が撮影した青い涙

「青い涙」の色は、冒頭で見た光るお寿司の色に似ていませんか？なぜ青く見えるのかというと、水中での光伝播が大気中の光の伝播と大きく異なるためだと考えられます。青色と緑色の光は海水中への浸透性が最も強いため、ほとんどの海洋発光生物は青色または緑色の光を発します。これによっても興味深い現象が生まれます。光のない深海では、黒に加えて赤も優れたステルス効果があり、多くの深海生物が赤い外観をしている理由も説明できます。

水中での光伝播

(画像出典: Wikipedia)

発光プランクトンでは、ルシフェリンはルシフェラーゼの触媒作用により酸化反応を起こし、励起状態のルシフェリンを生成して光を発します。発光渦鞭毛藻類、クラゲ、クシクラゲ、ウミホタル、ホタルなど多くの海洋生物は、このため光ります。陸上のホタルもこの原理に基づいて発光します。注目すべきは、異なる種が使用するルシフェリンとルシフェラーゼは同じではなく、それらの反応プロセスも異なるということです。

異なる種の酵素反応の過程 A ホタル B ミミズ C ウミホタル D 発光する淡水カサガイ E 発光細菌 F オキアミ

（画像出典：参考文献3）

蛍光タンパク質の受動的な発光とは異なり、ルシフェラーゼ反応は生物の真の発光です。このため、この発光システムを刺激するには、外部からの摂動や神経制御が必要になることがあります。そして、一定の日周周期または季節周期を持っています。

しかし、発光プランクトンは主にエビの頭胸部や付属肢、殻に付着しており、殻を取り除いた後も筋肉が光り続ける可能性は高くない。ニュースに出てきた寿司エビは殻が剥かれていたので、おそらくこの酵素反応で光っていたわけではないだろう。

光るオキアミ

このお寿司のエビ自体が光るエビなのでしょうか？

オキアミ科の生物はすべて生物発光することができます。オキアミの生物発光には季節的なサイクルがあり、通常は秋に起こりますが、驚いたときにも生物発光することがあります。

左: オキアミ 右: 光るオキアミ

(画像出典: Wikipedia)

オキアミには発光器官と呼ばれる器官があり、金色でわずかに赤みがかった外観の球状の器官で、結晶、発光体、反射体、神経が含まれています。オキアミは「ルシフェリン-ルシフェラーゼ」発光システムを使って光を発します。発光する渦鞭毛藻類とは異なり、オキアミはルシフェリンを自ら生成することはできません。発光する渦鞭毛藻類を食べて酵素反応を完了させることによってのみ、外部からルシフェリンを得ることができます。

オキアミの構造と発光器官の解剖学的構造の模式図

（画像出典：Wikipedia 参考2 著者による中国語訳）

オキアミの明器官は主に眼柄の下、歩脚と腹足の下に分布しています。発光部分が光る寿司が表現する情景と矛盾している。残念ながら、オキアミの生理学的特性は寿司を作るのに適していないため、光る寿司がオキアミである可能性は低いです。

発光する海洋細菌

もう一つの可能​​性は、寿司エビが発光細菌に侵略されたのではないかということです。

生物発光を行うことができる細菌は発光細菌と呼ばれます。ほとんどが海洋細菌です。海洋発光細菌はイカや硬骨魚類と共存できる。これまでに5属20種以上が発見されています。

発光細菌とその宿主

(画像出典: Wikipedia)

発光細菌では、Lux オペロンが発光関連遺伝子の発現を制御します。野生型発光遺伝子システムには、構造遺伝子 LuxC、D、A、B、E が含まれます。LuxA と LuxB は、それぞれ細菌ルシフェラーゼの α サブユニットと β サブユニットをコードします。 LuxC、D、E はそれぞれ NADPH 依存性脂肪酸還元酵素、アシルトランスフェラーゼ、ATP 合成酵素をコードします。

すべての発光細菌は同様の発光反応メカニズムを持っています。酸素とルシフェラーゼの作用により、還元フラビンモノヌクレオチド（FMNH2）と長鎖脂肪アルデヒドを酸化フラビンモノヌクレオチド（FMN）と長鎖脂肪酸に酸化し、波長490ナノメートルの青緑色の光を発します。細菌ルシフェラーゼ反応の最適温度は 18°C であり、25°C を超えると急速に不活性化されます。

発光細菌の遺伝子発現と生化学的原理

（画像出典：参考文献4）

上記の情報から、タイの少年が買った寿司が光っていたのは、おそらく発光細菌に汚染されていたためだと推測できます。地元の検疫局もその後の検査で発光細菌を検出した。

海から人々の口まで、汚染されたエビの中の発光細菌はなぜこれほど粘り強く生き残ったのか？おそらく、釣りの後に細菌が十分に洗浄されなかったためでしょう。同時に、寿司の生肉と生米の製造工程と低温の保管環境は、発光細菌の生存に適しています。再生期間を経て、寿司はついに闇夜に冷たい青い光を放ちます。

偶然にも、海外では生の豚肉が青く光るという事例が各地で報道されている。地元の検疫部門による検査の結果、発光細菌であるシュードモナス・フルオレッセンスが原因であることが確認された。

光るバクテリア

(画像出典: Wikipedia)

結論

最後に、光る寿司が存在する理由を海洋生物の自然発光の観点からのみ分析した。生活の中で起こる他の食品の発光現象に関しては、食品加工中にリンなどの発光物質が混入するなど、他の可能性も否定できません。また、生活の中で発光する食品に遭遇した場合は、関係部門に引き渡して検査してもらうことはできますが、食べないように注意していただきたいと思います。

編集者：郭 雅新

参考文献

[1] Bhuckory, S., Kays, JC, & Dennis, AM (2019).共鳴エネルギー移動を用いた生体内バイオセンシング。バイオセンサー、9(2)、76。

[2] 鄭中、李少晶。海洋プランクトンの生物発光研究のレビューと展望 - 海洋プランクトン生物学の新動向 XIII[J]。ネイチャーマガジン、1987年、6:31-36。

[3] Yan, Y.、Wang, S.、Xie, F.、Fang, X.、Zhang, YM、および Zhang, SXA (2019)。ホタルにヒントを得た新しい化学発光材料の開発。アイサイエンス、13、478-487。

[4] Sun, S.、Yang, X.、Wang, Y.、Shen, X. (2016)。生物発光共鳴エネルギー移動 (BRET) によるタンパク質間相互作用の生体内分析: 進歩と展望。国際分子科学ジャーナル、17(10)、1704。

[5] 崔清宇、王明宇、徐海。細菌ルクス蛍光レポーターシステムの研究の進歩[J]。中国バイオテクノロジー、2017年、37(8):66-71。

(注: ラテン語のテキストは斜体にする必要があります。)