생물 발광 (바이오루미네센스)의 원리는 무엇인가요?
바이오루미네센스의 구체적인 발광 원리와 바이오루미네센스를 활용한 기술의 구체적인 사례가 궁금합니다.
되도록 과학적인 답변을 원해요!!
안녕하세요. 정종하 전문가입니다.
생물발광의 기술적 구체적 사례는 없습니다.
도입해 봐야 경제성이 없기 때문입니다.
자세한 생물발광에 대해서는 하기 참고 바랍니다.
생물발광은 어떤 유기화합물이 효소의 작용으로 산화되면서 그 때 방출되는 에너지가 빛에너지의 형태로 체외로 나오는 현상이어서 일종의 광화학반응이다. 세균이나 균류 가운데서 발광을 하는 생물은 일정한 발광기관의 발달이 없고, 세포 속에 있는 발광물질을 산화하여 빛을 내지만, 발광동물은 대개가 특수하게 분화된 발광기관을 가지고 있어서 빛은 여기에서 발생한다. 그러나 야광충과 같은 원생동물은 세균이나 균류처럼 발광기관을 가지고 있지 않다.
발광을 하는 동물 가운데 반딧불이 ·조개물벼룩 등은 자신이 직접 발광을 하지만, 새우나 꼴뚜기 등은 자신이 발광을 하는 것이 아니고 몸에 부착 또는 기생하고 있는 세균이 발광을 하기 때문에 빛을 내는 것처럼 보이는 것도 있다.
발광물질은 루시페린(luciferin)이다.
이 물질의 분자 구조는 발광생물의 종류에 따라 다르지만 산화되면서 빛을 발생하는 기본적 기구는 생물의 종류에 관계없이 공통적이다. 이 발광 기구는 반딧불이에서 많이 연구되고 있는데, 그 개요는 다음과 같다. 즉 발광물질인 루시페린은 ATP와 결합하여 루시페린-ATP의 복합물을 형성하면서 무기인산 H3PO4 두 분자를 생성한다. 이때 루시페린은 환원형이어서 LH2와 같이 표기된다.
LH2+ATP → LH2-AMP+2H3PO4
이 반응에서 생긴 LH2-AMP는 산소와 반응하여 산화되면서 불안정한 에너지 상태에 있게 된다. 따라서이 불안정한 상태의 산화 산물은 곧 분해되어 산화형 루시페린과 AMP를 생성하면서 빛(hv)을 낸다.
LH2-AMP+1/2 O2 → L-AMP*+H2O
L-AMP* → L+AMP+hv(빛에너지)
위 식에서 L은 산화형 루시페린, L-AMP*는 불안정한 에너지 상태의 루시페린-AMP복합물을 가리킨다. LH2-AMP가 산소(1/2 O2)와 반응하여 산화되는 과정은 루시페라아제(luciferase)라는 효소의 촉매작용에 의하여 이루어진다. 따라서, 생물발광은 루시페린 ·ATP ·루시페라아제 및 산소의 존재하에서 일어난다. 이 밖에도 2가 양이온 중에서 Mg2＋, Mn2＋, Co2＋ 등이 있어야 한다는 것도 알려져 있다. 루시페린 한 분자의 산화에서 1광량자가 방출되는 것으로 계산되고 있으므로, 생물발광은 광효율이 매우 높아서 열의 발생을 거의 수반하지 않는다. 따라서, 생물발광에서 나오는 빛을 냉광이라고도 한다.
