让蛋白分子发光

　　

作者:孙尉翔  　

细胞内部那些原本不为人所见的神秘分子变成了引导生物学家前进的明星，不断生成变化的活细胞也从神秘的黑箱变成了一个舞台，上演着微观生物世界的戏剧

 

　　2008年度的诺贝尔化学奖，被授予日本化学家下村修、美国科学家马丁·沙尔菲(MartinChalfie  )和美籍华裔科学家钱永健三人，以表彰他们“发现和发展了绿色荧光蛋白质”技术。

 

　　新闻发布会的现场，发言人取出一支试管，置于蓝光灯之下，只见这支试管中的物质发出了绿色荧光——这是一支含有绿色荧光蛋白(GFP)的生物样品。

 

　　GFP分子的形状呈圆柱形，像一个桶，发光的基团位于桶中央。因此，GFP可形象地比喻成一个装有色素的“油漆桶”。在蓝光的照射下，GFP受激发发出绿色的荧光。

 

　　这是目前生物学领域一项常规而重要的标记技术。在GFP获得应用之前，传统的荧光分子标记技术只能应用于死亡细胞，原因是这些荧光分子发光时会产生有毒的氧自由基，这叫做光毒性。而GFP的光毒性非常弱，使得它能够用于活细胞观察。

 

　　利用荧光蛋白标记，科学家能够实时追踪细胞内部的各种活动，从而使许多重大疾病的形成过程为人所知。例如老年痴呆症患者脑神经的病变过程，糖尿病患者胰岛细胞活动，艾滋病病毒感染过程以及癌细胞的扩散过程等等。GFP还在医疗诊断、环境监测甚至考古学中获得了重要的应用。

 

　　到目前为止，与GFP有关的论文已经超过6000篇。有了GFP，细胞内部那些原本不为人所见的神秘分子变成了引导生物学家前进的明星，不断生成变化的活细胞也从神秘的黑箱变成了一个舞台，上演着微观生物世界的戏剧。

 

　　绿色荧光蛋白的发现最初来源于海洋。上世纪60年代，一类会发光的水母引起了科学家的兴趣，人们对这些水母发光的原理产生了好奇。1962年，下村修从水母体内发现并分离出了水母素和绿色荧光蛋白，就是这两种物质的综合作用使得水母具有发光的能力。水母素一旦与钙离子结合，就能发出蓝光，而绿色荧光蛋白被蓝光照射激发后发射绿光。

 

　　然而，过了近30年，这一发现才成为生物学研究手段。

 

　　1992年，道格拉斯·普雷沙(DouglasPrasher)克隆出了与绿色荧光蛋白相对应的基因序列，这就意味着，可以通过基因重组技术使得除水母以外的其他生物也能合成GFP。但由于普雷沙的研究经费恰好出现了问题，他只好将研究结果发送到了其他几个实验室，其中就包括沙尔菲的实验室。

 

　　1994年沙尔菲首次成功通过基因重组技术使得大肠杆菌也能够产生GFP，开创了利用GFP进行细胞生物学研究的时代。由于原始的GFP具有受激发光缓慢，易氧化变质等不足，在生物学研究中的应用受到了限制。

 

　　直至1996年GFP的空间结构研究结果被报道之后，对GFP进行技术改进才成为可能，钱永健就是在这方面做出了巨大贡献。他的工作大大增加了GFP的稳定性和发光效率，同时加快了GFP显色速度。他还根据原始GFP的原理进一步改造，合成了发出红、蓝、黄等不同颜色的荧光蛋白，甚至在不同条件下能变换颜色的荧光蛋白，大大扩展了荧光蛋白的使用范围。可以说荧光蛋白标记技术在今天生物学研究中具有如此重要的地位，钱永健功不可没。

 

　　在得奖前后，钱永健均受到了国内媒体的广泛关注，除了华裔身份，还因为他是中国导弹之父钱学森的堂侄。

 

　　然而，1952年生于纽约的钱永健其实从来没有见过钱学森，他的父亲是一名机械工程师。当得知获奖时他感到十分惊讶，因为严格来说他并不是GFP的第一发现者，“我只是一个制作工具的人”，钱永健说。