名古屋大学生物农业科学研究生院的西川敏夫教授、博士生加藤玛丽亚和前硕士生土桥和代，正在与米乐m6官方网站生物过程研究部高级研究员蟹江英精和中部大学应用生物学学院教授大场佑一进行联合研究。成功一锅法合成用于萤火虫生物发光的发光物质荧光素。
萤火虫通过发光物质D-荧光素和荧光素酶之间的反应发光。该发光反应噪音小，检测灵敏度高，可作为一种简单、快速的病原菌检测方法，也可用于生命科学研究中的基因重组实验。生物成像注2)然而，目前荧光素是通过化学合成方法生产的，采用多步骤、环境密集的方法，并且极其昂贵。
2016年，我们课题组在荧光素生物合成的研究过程中，发现并报道了一种非酶促反应，通过在中性缓冲液中简单搅拌L-半胱氨酸和苯醌，即可产生极少量的L-荧光素。产率较低，约为 03%，不切实际。然而，这次，基于对该反应机理的详细分析，我们首次成功开发了D-荧光素的实用一锅法合成方法。该合成方法得到高纯度的D-荧光素，总收率为46%。所有原料均为市售且价格低廉，所有反应均在室温、常压的温和条件下进行。由于是一锅法工艺，后处理和纯化过程中产生的废物很少，是一种绿色工艺。因此，预计该方法在未来将得到广泛应用，不仅用于商业生产，而且作为一种即使非合成化学家也可以轻松使用的合成方法。
该研究成果由英国自然出版集团于2024年12月25日19:00（日本时间）发表。
科学报告''将以网络版形式发布。
萤火虫生物发光是众所周知的一种奇妙的生命现象，在我们周围随处可见。发光是由发光物质 D-萤火虫荧光素和荧光素酶之间的氧化反应产生的，称为荧光素-荧光素酶反应（L-L 反应）（图 1）。这种发光反应涉及氧和镁离子，ATP注3)根据需要，我们已经开发出一种使用它来测量 ATP 的高灵敏度方法。这是一种简单、快速的病原菌检测方法（ATP拭子检测），在食品工厂和医疗机构的卫生检查中发挥着重要的公共卫生作用。还监测重组基因的表达记者检测注4)和实时成像。
图 1 萤火虫发光反应（L-L 反应）
此反应中使用的荧光素酶蛋白已使用转基因大肠杆菌大量生产。另一方面，萤火虫体内如何合成萤光素（生物合成）仍然很大程度上未知，尽管自1964年确定萤光素结构以来已经进行了大量研究。2016年，在萤火虫萤光素生物合成研究过程中，我们的研究小组意外发现并报道，当已知原料L-半胱氨酸和苯醌在中性缓冲液中搅拌时，产生了 L-荧光素，尽管量很小（产量约为 03%）（图 2）。
图2 2016年报道的荧光素非酶促生产反应
该课题组认为收率低的原因是烧瓶中反应无序进行，并首先对该反应进行了详细分析，并推导了反应路线和机理。通过安排反应沿着该估计路径进行的最佳时机和反应条件，我们成功开发了一种以L-半胱氨酸甲酯为原料的实用的D-萤火虫荧光素一锅合成方法。该方法只需将试剂加入L-半胱氨酸甲酯的甲醇溶液中，室温搅拌，浓缩即可得到高纯度的萤火虫D-荧光素，收率46%。这成功地简化了合成过程并提高了效率，使得在大约两天内合成荧光素成为可能。
图3本研究开发的D-荧光素的一锅合成方法
D-荧光素通过多步化学合成提供，因为其生物合成的大部分是未知的，并且非常昂贵（约15,400日元/10毫克）。此外，其合成过程需要在特殊的耐热密封容器中进行高温（约200℃）加热反应，存在危险。
在这项研究中，我们成功开发了一种一锅法合成方法，降低了合成荧光素的成本。首先，该合成方法的收率高达46%，优于之前报道的任何合成方法，而且由于是一锅法合成，最大限度地减少了后处理和纯化过程中产生的废物，使其成为对环境影响较小的绿色工艺。此外，该反应的原料和试剂均市售且价格低廉，且所有反应均在室温、常压的温和条件下进行。由于它不需要严格的条件且实验操作简单，因此预计它将在未来得到广泛应用，不仅用于商业生产，而且作为一种即使非合成化学家也可以轻松使用的合成方法。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金（挑战研究（探索）23K17974、基础研究（B）24K01636）、文部科学省科学研究补助金（学术转型）的支持。名古屋大学卓越研究生院变革科学与生命（GTR）。
杂志名称：科学报告
论文标题：萤火虫荧光素的实用仿生一锅法合成
作者：M Kato（名古屋大学）、K Tsuchihashi（名古屋大学）、S Kanie（米乐m6官方网站）、Y Oba（中部大学）、T Nishikawa（名古屋大学）
DOI：doiorg/101038/s41598-024-82996-2