Nature头条：诺奖成果新进步

　　

生物通报道：46年前，下村修发现了绿色荧光蛋白。一开始它只是个副产物，经过一群科学家们的努力，它才变成现在广受欢迎的报告基因。这一看似简单的科学成果实际上在后续的生命科学研究中发挥了巨大的作用，也因此获得了2008年度的诺贝尔化学奖。

近期来自世界名校，加州大学伯克利分校的研究人员获得了GFP研究的进一步研究成果——GFP发光过程中几何构形变化的实时观测，这一研究成果公布在Nature封面上（见下，封面所示为帮助光激发GFP生色团找到转移该蛋白内一个质子所需几何构形、从而使其发出明亮荧光的振动）。

研究人员1962年在水母中发现了绿色荧光蛋白(GFP)。在那以后，这种蛋白成为当代生物科学最重要的工具。在绿色荧光蛋白的帮助下，研究人员发展出观察先前肉眼无法看到的过程，例如脑神经细胞的发展或者癌症细胞是如何扩散的。在一个活体中有数万种不同的蛋白，这些蛋白精细地控制着重要的化学进程。如果蛋白机制发生故障，就通常会发生疾病。这就是为什么对于生物科学来说，标定各种不同蛋白的路线图是绝对必要的。

但是经过近半个世纪的研究，目前科学家对GFP这种具有高效生物发光性能的标记物的激发态质子转移在原子层面上的详细情况，仍然不是十分了解。

在这篇文章中，研究人员利用GFP生色团的飞秒受激拉曼光谱获取了具有时间分辨率的详细振动光谱，该光谱显示了一个低频骨架振动是怎样使该蛋白在构形上为关键的质子转移过程做好准备的。除了为分析一个在无数生物研究中居中心地位的反应提供线索外，这种在一个多维化学反应过程中对某一分子的结构变化进行实时观测的方法，在确定反应机制中应具有广泛应用。

绿色荧光蛋白在医学和生物化学方面得到了广泛的应用，它能够使人们直接看到细胞内部的运动情况。在任何指定的时间我们都可以轻易地找出绿色荧光蛋白在哪儿：你只需要用紫外光去照射，这时所有的GFP都将发出鲜艳的绿色。绿色荧光蛋白特别突出的应用是在癌症研究的过程中，用荧光蛋白对肿瘤细胞标记使得科学家们能够观测到肿瘤细胞的成长、入侵、转移和新生等具体的过程。

这项技术不仅可用于生物医学领域，在其他领域也有极为重要的意义，如环境污染的实时监控、食品安全等。应该说这些看似深奥的研究工作与普通老百姓的日常生活息息相关，比如说，如果目前有一种便宜的荧光试剂或试纸，能快速、灵敏地检测出三聚氰胺，老百姓就可以在家里放心食用奶制品了。再比如，我们可以设计一种对某种糖类具有特殊识别性能的荧光探针，可以用来快速、方便地检测人体唾液中糖的含量，这样糖尿病患者就可以很方便地控制自己的饮食。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Mapping GFP structure evolution during proton transfer with femtosecond Raman spectroscopy

Tracing the transient atomic motions that lie at the heart of chemical reactions requires high-resolution multidimensional structural information on the timescale of molecular vibrations, which commonly range from 10 fs to 1 ps. For simple chemical systems, it has been possible to map out in considerable detail the reactive potential-energy surfaces describing atomic motions and resultant reaction dynamics1, but such studies remain challenging for complex chemical and biological transformations2. A case in point is the green fluorescent protein (GFP)3, 4, 5 from the jellyfish Aequorea victoria, which is a widely used gene expression marker owing to its efficient bioluminescence. This feature is known to arise from excited-state proton transfer (ESPT)6, 7, 8, yet the atomistic details of the process are still not fully understood. Here we show that femtosecond stimulated Raman spectroscopy9, 10 provides sufficiently detailed and time-resolved vibrational spectra of the electronically excited chromophore of GFP to reveal skeletal motions involved in the proton transfer that produces the fluorescent form of the protein. In particular, we observe that the frequencies and intensities of two marker bands, the C–O and C = N stretching modes at opposite ends of the conjugated chromophore, oscillate out of phase with a period of 280 fs; we attribute these oscillations to impulsively excited low-frequency phenoxyl-ring motions, which optimize the geometry of the chromophore for ESPT. Our findings illustrate that femtosecond simulated Raman spectroscopy is a powerful approach to revealing the real-time nuclear dynamics that make up a multidimensional polyatomic reaction coordinate.