Vitamin B2

在细胞实验过程中，细胞培养基是细胞生长和维持的基础，其成分的稳定性和功能性对实验结果至关重要。然而，紫外线作为一种高能辐射，会对培养基中的化学成分造成破坏性影响。这种破坏不仅会改变培养基的化学性质，还可能产生有害的副产物，从而直接影响培养基的功能。当培养基的功能受损时，细胞的生长环境将受到破坏，进而影响细胞的正常生长和实验结果的准确性。因此，在细胞实验中，应避免直接使用紫外线照射细胞培养基，以确保实验的顺利进行和结果的可靠性。接下来，我们将深入探讨紫外线对培养基的具体影响及其潜在的破坏机制。1. 紫外线对细胞培养基的影响1.1 紫外线破坏DNA结构 紫外线(UV)具有高能量，能被DNA分子中的嘧啶碱基吸收，导致相邻嘧啶碱基之间形成共价键，产生环丁烷嘧啶二聚体(CPD)和(6-4)光产物(6-4PP)等损伤。这些损伤会扭曲DNA双螺旋结构，阻碍DNA聚合酶的正常移动，从而干扰DNA复制和转录过程。研究表明，UVC波段的紫外线对DNA损伤最为严重，其能量足以直接破坏DNA分子中的化学键，导致DNA链断裂。例如，在一项研究中，细胞暴露于UVC辐射后，DNA损伤程度与辐射剂量呈线性关系，辐射剂量为10 J/m²时，DNA损伤率达到20%，而当辐射剂量增加到50 J/m²时，损伤率高达80%。这种损伤不仅会影响细胞的正常生长和分裂，还可能导致基因突变，增加细胞癌变的风险。1.2 紫外线对蛋白质的影响 紫外线照射会使培养基中的蛋白质发生变性。蛋白质分子中含有芳香族氨基酸，如色氨酸、酪氨酸等，它们能吸收紫外线能量，导致蛋白质分子内部的氢键、疏水作用等非共价键断裂，破坏蛋白质的二级、三级结构，使其失去原有的生物活性。例如，一项研究发现，紫外线照射后，培养基中的一种关键酶——谷氨酰胺合成酶的活性下降了60%，其三维结构发生了显著变化，导致其催化效率大幅降低。此外，紫外线还会诱导蛋白质发生交联反应，形成不可逆的聚集体，进一步影响蛋白质的功能。在细胞培养过程中，蛋白质是细胞生长和代谢的重要成分，蛋白质变性会严重影响细胞的生长状态和实验结果的准确性。1.3 紫外线对维生素和氨基酸的影响 紫外线对培养基中的维生素和氨基酸也有显著的破坏作用。维生素B族中的核黄素在紫外线照射下会产生活性氧(ROS)及过氧化物，这些物质对细胞具有毒性，会进一步损伤细胞的DNA、蛋白质等生物大分子。例如，维生素B2在紫外线照射下分解率可达70%，导致其失去作为辅酶参与细胞代谢的功能。氨基酸在紫外线照射下可能发生变异，尤其是色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸，它们在光照下容易形成光加合物，对细胞生长产生不利影响。一项研究显示，培养基中的色氨酸在紫外线照射后，其含量下降了50%，同时细胞的生长速率也降低了30%。维生素和氨基酸是细胞生长的必需营养物质，它们的损失会直接影响细胞的生长速度和质量，甚至导致细胞死亡。2. 紫外线照射细胞培养基的潜在风险2.1 蛋白质变性 紫外线照射可导致培养基中蛋白质变性，丧失其原有的生物活性。蛋白质分子中的芳香族氨基酸如色氨酸、酪氨酸等能吸收紫外线能量，破坏蛋白质内部的氢键、疏水作用等非共价键，改变其二级、三级结构。例如，研究发现紫外线照射后，培养基中的谷氨酰胺合成酶活性下降60%，三维结构显著变化，催化效率大幅降低。此外，紫外线还会诱导蛋白质发生交联反应，形成不可逆的聚集体，进一步影响其功能。蛋白质是细胞生长和代谢的重要成分，其变性会严重影响细胞的生长状态和实验结果的准确性。2.2 维生素降解 培养基中的维生素在紫外线照射下会发生降解，失去其原有的功能。维生素B族中的核黄素在紫外线照射下会产生活性氧(ROS)及过氧化物，对细胞具有毒性，进一步损伤细胞的DNA、蛋白质等生物大分子。例如，维生素B2在紫外线照射下的分解率可达70%，导致其失去作为辅酶参与细胞代谢的功能。维生素的损失会直接影响细胞的生长速度和质量，甚至导致细胞死亡。2.3 氨基酸变异 紫外线照射可导致培养基中的氨基酸发生变异，尤其是色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸。这些氨基酸在光照下容易形成光加合物，对细胞生长产生不利影响。一项研究显示，培养基中的色氨酸在紫外线照射后，其含量下降了50%，同时细胞的生长速率也降低了30%。氨基酸是细胞生长的必需营养物质，其变异会直接影响细胞的生长速度和质量。3. 紫外线照射的替代方法3.1 过滤除菌法 过滤除菌法是一种有效的替代紫外线照射的方法，通过物理阻留的方式将液体或空气中的细菌除去，以达到无菌目的。常用的滤菌器有薄膜滤菌器（0.45μm和0.22μm孔径）、陶瓷滤菌器、石棉滤菌器（即Seitz滤菌器）、烧结玻璃滤菌器等。例如，0.22μm孔径的滤膜能够有效截留细菌和大部分病毒颗粒，确保培养基的无菌性。过滤除菌法的优点在于不会对培养基中的营养成分产生破坏，同时操作简单，适用于对热敏感或易受光影响的培养基。此外，过滤除菌法还可以与其他消毒方法结合使用，提高消毒效果，如在过滤除菌后进行短时间的化学消毒处理，以确保培养基的完全无菌。3.2 化学消毒剂的使用 化学消毒剂是另一种常用的紫外线照射替代方法，通过化学反应杀灭或抑制微生物的生长。常见的化学消毒剂包括70%乙醇、漂白剂、过氧化氢等。例如，70%乙醇能够迅速渗透细菌细胞膜，破坏细菌的蛋白质和酶系统，从而达到消毒的目的。使用化学消毒剂时，需要严格按照说明书的浓度和作用时间进行操作，以确保消毒效果。例如，漂白剂的使用浓度一般为0.1%至0.5%，作用时间为10至30分钟，能够有效杀灭细菌、病毒和真菌。化学消毒剂的优点是作用迅速，消毒效果可靠，但需要注意其对操作者和环境的潜在风险，以及可能对培养基中某些成分的残留影响。因此，在使用化学消毒剂时，应采取适当的防护措施，并在消毒后进行充分的冲洗，以去除残留的消毒剂。4. 细胞培养基的正确处理和储存4.1 避光储存 细胞培养基的避光储存至关重要，因为光照尤其是紫外线，会引发一系列的化学反应，破坏培养基中的关键成分。例如，维生素B族中的核黄素在光照下会产生活性氧和过氧化物，这些物质不仅会直接损伤细胞，还会进一步破坏DNA和蛋白质等生物大分子。此外，培养基中的氨基酸如色氨酸和酪氨酸在光照下容易形成光加合物，导致其结构改变，从而失去原有的功能。研究表明，避光储存可以显著延长培养基的有效期，保持其营养成分的稳定性和生物活性。因此，在实验室中，应将培养基存放在避光的环境中，如使用棕色玻璃瓶或将其置于遮光的容器中，以减少光照对培养基的影响。4.2 冷藏保存 冷藏保存是确保细胞培养基稳定性的另一种重要方法。通常情况下，培养基应储存在2-8℃的冰箱中。在低温条件下，培养基中的化学反应速率会降低，从而减缓营养成分的降解过程。例如，L-谷氨酰胺在常温下容易分解，但在冷藏条件下，其稳定性可以得到显著提高。此外，冷藏还可以抑制微生物的生长，防止培养基受到污染。然而，需要注意的是，培养基在冷藏保存时应避免冻结，因为结冰会导致培养基的体积膨胀，破坏其结构，影响使用效果。因此，在冷藏保存过程中，应确保培养基的温度稳定在推荐范围内，并定期检查其状态，以确保其质量和安全性。5. 总结 综上所述，紫外线对细胞培养基具有显著的破坏作用，其高能量可引发DNA损伤、蛋白质变性、维生素降解和氨基酸变异等一系列问题，严重影响细胞的生长状态和实验结果的准确性。因此，在细胞培养过程中，应避免将培养基直接暴露于紫外线下。为了确保培养基的质量和无菌性，可采用过滤除菌法和化学消毒剂等替代方法进行消毒处理。同时，正确的储存方式，如避光和冷藏保存，也是保护培养基成分不受破坏的关键措施。通过综合运用这些方法，可以有效避免紫外线对细胞培养基的不良影响，为细胞培养创造一个稳定、安全的环境，从而提高实验的成功率和结果的可靠性。 识别微信二维码，添加抗体圈小编，符合条件者即可加入抗体圈微信群！ 请注明：姓名+研究方向！ 本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。

第一性原理计算解决50年悬而未决难题：半导体中铜为何扩散更快？ Ab initio及第一性原理入门参考书介绍 《海贼王》告诉你，做科研为什么不能闭门造车…… 来自公众号：西湖大学WestlakeUniversity 本文以传播知识为目的，如有侵权请后台联系我们，我们将在第一时间删除。 近日，西湖大学理学院叶宇轩课题组在Nature Chemistry发文，他们成功解锁了烯还原酶的全新非天然去饱和化反应性，把它们从还原酶改造成为了去饱和化酶……不对，今天不这么讲故事。今天，把舞台还给元素，请宇宙精灵们本色出演一场四幕剧，那些本属于自己的童话。好，重来。 —四幕剧—第一幕：面试第二幕：牧场第三幕：演化第四幕：还乡（也可以点击文末阅读原文看专业版） 第一幕：面试 实验室一角：黄色的烯还原酶 白色房间里，所有人都在等着烯还原酶。 这是一场面试，等候在白色长桌边的是叶宇轩团队，是他们发出了邀约。 烯还原酶到了，闪动着落日余晖般的透明光彩，但很难描述她的形貌。至少，她并不是球和棍搭建的模型，那只是为了理解而构造的。量子世界，并不是宏观世界的缩小版。 “你们好呀，人类。”她语气轻柔。 所有人都站起来，抬头仰望这一奇观，白色房间大得出奇，足以装下想象。 她是一个由300多个氨基酸构成的巨人。氨基酸是一种有机小分子，以碳作为骨架，结合氮、氢、氧，偶尔有硫，生命中只有20种氨基酸，它们用肽键连接，再折叠形成了姿态万千的生命基石——蛋白质。 酶也是一种蛋白质。水分子的分子量是18，一个烯还原酶的分子量大概在37000，一叶轻舟和万吨巨轮的差别。 艺术插画： 烯还原酶的蛋白晶体结构图，蛋白质的折叠千姿百态，或螺旋，或扁平 “无数次，我想象过你的样子。”叶宇轩说。 生命全靠酶的催化，酶一直在为你的身体工作，从你吃下第一口饭开始。比如，如果不加干预的话，一个蛋白质断裂其一半的肽键，大约需要500年，但在酶的催化下，解开一个肽键只需要几纳秒。这种能力，差不多是把宇宙138亿年，快进成一部电影。 叶宇轩继续说：“你的工作很了不起，脂肪酸合成需要你，光合作用需要你，抗氧化需要你……”  “我并不在意赞美。”烯还原酶打断了人类的语言。酶，它促进反应发生，但又不和产物结合，似乎有一种无我的精神。 “邀请你，是想挑战38亿年演化都没有实现的事情。”叶宇轩直奔主题。 “哦？”她的脸庞掠过一丝涟漪，那是“莫名其妙”的刹那。 “我们一直知道你，你可以轻松把碳和碳之间的双键拆开，变成单键。”叶宇轩提高了声量，“但我们想让你做相反的事情。” 烯还原酶，顾名思义，擅长的是还原反应，送上电子，把碳和碳之间的双键变成单键，把不饱和度变成饱和。碳，最外层有四个价电子，碳和碳连接可以是单键，也可以是双键，或者三键，花样百出，真的是“至键则无敌”。碳碳单键最稳定，称之为饱和。而这里的“烯”，指的就是碳碳双键。 以苯环经典结构为例，六个碳之间单双键交替，以及两种简化后的画法。这个分子式，曾引出那个蛇头尾相咬的梦中故事。但其实，苯环远非单双键交替就可以描述的，这只是简化后的模型。（图：小编自己画的，C代表碳，H代表氢，-代表单键，=代表双键） 叶宇轩想要逆转烯还原酶的能力，从拆开双键到完成双键，这几乎是倒反天罡。 “自然界已经有去饱和酶了呀。”她依然平静温和。 “他们大多挑剔，只能催化极个别对象，你的适用范围更好。”叶宇轩显然有备而来。 烯还原酶并没有回答，她极速缩小，电光石火之间，白色房间和长桌也消散了。 此时，叶宇轩和团队正在实验室进行思维风暴，他手里拿着一份“简历”，是天然烯还原酶的氨基酸序列，上面是 300多个字母，再无其他信息，如同密码本一样神秘。 第二幕：牧场 叶宇轩在实验室。 玻璃器皿是一个巨大的牧场，大肠杆菌是人类圈养的生物。 在电动摇床的日夜震荡之中，大肠杆菌按照给定的DNA序列，勤恳地制造出各种蛋白质。 这背后是一套生命底层的编码和解码系统，从基因到蛋白质，我们称之为中心法则，细胞根据DNA序列，翻译出蛋白质。人类利用中心法则，“诱骗”大肠杆菌翻译外来的基因片段。 再来看“简历”上神秘的氨基酸序列： MALLFTPLELGGLRLKNRLAMSPMCQYSATLEGEVTDWHLLHYPTRALGGVGLILVEATAVEPLGRISPYDLGIWSEDHLPGLKELARRIREAGAVPGIQLAHAGRKAGTARPWEGGKPLGWRVVGPSPIPFDEGYPVPEPLDEAGMERILQAFVEGARRALRAGFQVIELHMAHGYLLSSFLSPLSNQRTDAYGGSLENRMRFPLQVAQAVREVVPRELPLFVRVSATDWGEGGWSLEDTLAFARRLKELGVDLLDCSSGGVVLRVRIPLAPGFQVPFADAVRKRVGLRTGAVGLITTPEQAETLLQAGSADLVLLGRVLLRDPYFPLRAAKALGVAPEVPPQYQRGF 每一个字母代表一个氨基酸，比如第一个字母M代表甲硫氨酸，349个字母，就是349个氨基酸的连接和折叠。 只是这20个字母，编写了生命天书，堪称奇迹，就好比莎士比亚也只用了26个英文字母写出了伟大的作品。 在这套编码系统中，每个氨基酸序列又可以对应到DNA序列中的三个碱基，如此，叶宇轩团队就可以在大肠杆菌中将烯还原酶生产出来，他们一共挑选20多种烯还原酶进入“初试”。 一场“入职培训”即将开始。 这是计划版图的一端，另一端，是他们盯上的烯酮类化合物，这种化合物在制药、农药和材料等领域都有重要作用。 来看分子图，烯酮最顶上的碳和氧形成一个双键，酮，指的是碳氧双键，右侧两个碳形成一个双键，底下的碳可以“外挂”两个取代基团，像两只脚，形同一个“兵”字。但正是由于双键的出现，让烯酮有了手性。就好像皮卡丘，走起路来，有了皮卡乒，也有了皮卡乓——开个玩笑。 左边是需要合成的烯酮分子，想象一下它右侧的镜像体，已经无法和左边重合，就好像你的双手。（图：Tiny ） 为了脱氢得到烯酮，之前的化学家想了很多催化办法，但是要么需要多步合成，要么需要强氧化性条件下，或者需要大量的金属催化剂，这些并不环保，另外普适性也不强。 如何打造一个更普适的烯酮催化体系，叶宇轩团队的方案专注于自然界的酶，而思路同样师法自然。 第三幕：演化 有机分子模型，即便38亿年也无法穷尽一个蛋白质的排列组合。 在开头的面试中，叶宇轩心里清楚，虽然烯还原酶的本性是喜欢拆除碳碳双键，但是！但是！但是！化学反应微观可逆，反应物和生成物之间的转化过程是可逆的！化学反应不是一条单向街，就好像，如果能把一个灯泡拧下来，那也懂得把它拧上去。事实上，烯还原酶也可以把饱和的碳碳单键变成不饱和双键，只是天然状态下这个过程并不明显。在20多种进入初试的烯还原酶中，有两种在最初的测试中脱颖而出，即便不加改造，他们已经表现出一定的去饱和能力，并且随着温度的升高，能力还在提高。这两位进入第二轮面试的编号分别是：CrS 和 GkOYE。亿万年的进化，酶庞大的身躯宛如柔软的舞者，妖娆多姿，擅长把被催化的分子拥入怀中。这也让他们能够精确控制产物分子的空间构象，也就是分子手性。伸出自己的双手就很好理解，它们镜相对称却无法重合。分子手性对生命至关重要，同样的分子，如果手性不同，作用会完全不同。这，就是人类梦“酶”以求的催化剂，高效、专一、还能控制产物分子的手性。这种能力是亿万年的演化使然，酶的序列不断变化调整，大自然筛选出其中最杰出的代表。那么同样，人类也可以在实验室里利用这一机制，人为改变氨基酸序列，然后，通过大量的测试，来筛选出我们想要的变种。或者说，人，在扮演大自然的角色，以及，人，给酶的演化按下了加速键。这被称为定向进化，在2018年获得了诺贝尔奖时，被评选人称为：试管中的达尔文主义。不过，科学家并不会盲目修改，叶宇轩团队深知关键的序列，每次改写一个位点，逐步测试，步步为营。他们最终收获了多个有益的突变体，其中GkOYE系列经历了三轮进化，去饱和催化效率达到了96%。仿佛经历了三重门，已然脱胎换骨。这些突变体构成了一整套去饱和催化体系，实验证明可以应用于55种不同的分子。其实349个氨基酸序列，意味着20的349次方种可能，这是一个远超天文数字的概念，比宇宙间的原子数还多，那大概是4乘以10的80次方。38亿年太短，唯有演化只争朝夕。 第四幕：还乡 叶宇轩实验室一角。 “你好美啊。”烯还原酶看到玻璃器皿中的硅酸盐，如此说。 “是生命。”硅酸盐流露出一丝落寞。 硅元素同样是最外层四个价电子，但是因为一些差异，地球上出现的是碳基生命，而非硅基生命。硅，这种地球上第二大元素，常常和第一大元素氧结合，成为了石头的一种成分。 “不要难过呀，你可以看到最细微和最遥远的，从显微镜到望远镜。还有，硅基芯片已经开始模拟神经网络，也许，我们还会再相遇。”烯还原酶轻声安慰。 是的，再相遇。 无论是碳还是硅，都是在恒星里练就的，那是远超化学反应的炽热。大爆炸之后，宇宙逐渐告别混沌期，在最初的恒星里，以氢的核聚变为燃料，继续制造基本元素。所以，构成你我的，无非是创世的遗迹，以及恒星的碎片。 在一片混沌和通透中，烯还原酶很快遇见了要催化的分子。 如同一个久违的拥抱，她用一只手轻轻取下对方一个的质子。这个挂在碳上的质子，就是氢原子失去电子的样子，呈现电正性。 与此同时，烯还原酶又拿出了她的珍藏已久的宝物，维生素B2。这是她演化路上升级打怪捡到的装备，又形同科幻，维生素B2就好像是酶给自己安装上的机械手臂，如此赛博朋克。 维生素B2又取走了连接在相邻碳上的氢，这个氢带有两个电子，呈现电负性。 此时，相邻的两个碳，一个失去氢正，一个失去氢负，接下来等待他们的，是多一个碳碳相连，从单键变成双键。 相比之下，人类的催化剂堪称暴力，但烯还原酶的温柔一抱，一切释然了。专业上的说法，是因为酶有多个位点可以活化目标分子，降低反应所需要的能量。 现在，一个氢正，一个氢负，即将迎接他们的，是空气里的氧气。 氧，一生极度活泼，到处寻找电子。地球上最早的微生物，其实是被氧气掠杀殆尽。但生命演化又来了一个反手，利用起氧气，形成一种更高效的能量获取机制。 烯还原酶在维生素B2的配合下，拉入氧气，产生了最终的产物，就是双氧水H₂O₂。至此，这个反应已经不可逆转。 “再见了，氧和氢。”烯还原酶道别。 双氧水并非旅途终点，一旦条件允许，双氧水会变成水分子和氧气。极度渴求电子的氧气，又会到处去氧化别人，而水分子如果足够巧合，例如被电解，就会释放出氢气，如果又足够巧合，氢气通过大气层逃逸向宇宙原乡，那正是来时之路。 而面对孤独的质子，烯还原酶想起了生命往事，元素们最终选择走在一起，行动一致开启了生命演化，这已足够奇迹。 更奇迹的是，是无穷无尽连绵不绝的宇宙元素，历经了38亿年的演化劫难，涌现出了此时此刻你阅读到此处的感受。让我们，下期见。烯还原酶催化去饱和反应示意图，R1和R2代表连接在碳上的基团，催化后的产物烯酮分子出现了手性。 烯还原酶催化去饱和反应更具体的过程机理图。  致谢  西湖大学理学院特聘研究员叶宇轩为论文的通讯作者，博士研究生王辉、科研助理高斌为本文的共同第一作者。在此，团队感谢西湖大学分子科学平台的卢星宇、陈中、顾丹玉在停流光谱实验中提供的帮助；感谢西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心的张彪彪、崔鑫在溶解氧测定实验中提供的实验仪器和实验指导；同时，感谢黄雄怡、Todd Hyster、杨扬、付海根和胡鹏飞在论文撰写和投稿过程中的讨论和宝贵帮助。本研究的部分资金来源于科技部重点研发项目(2022YFA1505600)，浙江省重点实验室建设项目和西湖大学未来产业研究中心以及浙江省资源配置项目 (XHD24B0101)。  叶宇轩实验室  叶宇轩，1991年生于江苏南京。2013年于北京大学化学与分子工程学院获得学士学位，指导教师为王剑波教授和张艳教授。本科期间在美国加州大学洛杉矶分校Neil Garg教授课题组进行了暑期科研交流。2018年在美国麻省理工学院获得博士学位，指导教师为Stephen Buchwald教授。2019–2022年在美国普林斯顿大学和康奈尔大学开展博士后研究，合作教师为Todd Hyster教授。叶宇轩博士于2022年9月全职加入西湖大学理学院担任特聘研究员，主要研究方向为新型酶催化非天然反应的发展和应用。 叶宇轩实验室长期开展酶催化相关的基础与应用研究。主要包括：1）利用光化学，电化学，以及金属催化等技术解锁酶的非天然反应性，发展高效的新型酶催化反应；2）借鉴生物体中独特的酶催化反应机理，实现新型仿生催化；3）利用酶的非天然反应，发展新型生物传感器。所取得系列奠基性学术成果已经发表在Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chemie等化学顶尖期刊，并受到自于世界各地学术界同行的广泛引用。 叶宇轩实验室 叶宇轩 团队网址ye.lab.westlake.edu.cn 邮箱yeyuxuan@westlake.edu.cn 参考资料 bilibili @三个老爸实验室吖 bilibili @茂的模 《生命是宇宙的偶然吗》 罗伊·古尔德 __________ 策划 丨 俞熙娜 编辑 丨 沈   是校对 丨 徐   珊