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关闭窗口 “绿色荧光蛋白”开启生物化学领域的新世界
科学家接力研究发光生物
绿色荧光蛋白(greenfluorescentprotein，简称GFP)是一种能在蓝色波长光线激发下发出荧光的特殊蛋白质，正是这种神奇的性质，让它成为当今生物化学领域最有力的工具之一，被称为“生物北斗”。生物化学家们的研究对象常常是细胞、分子、基因等在显微镜下才会“现形”的物质。显微镜下的微观世界与我们看到的宏观世界极为不同，而GFP的作用是在微观与宏观间架起一座桥梁，让科学家通过观察发光效应推测出分子水平上的活动。这3位发现 GFP的科学家最终获奖，也说明了这一成果的重要性。
生物发光分为两种，一种是由生物体内一种荧光酶作为催化剂参与发光反应，另一种是生物体内某种蛋白质本身能发光。前者早在上世纪初就已被研究得较为全面，而发光蛋白质的系统研究起源于上世纪50年代下村修所做的开创性工作。
1955年两位美国海洋生物学家达文波特与尼可，首次发现了水母可以发绿光，但他们无法解释原因，这一发现被下村修敏锐地捕捉到了。1961年，当时还在普林斯顿大学工作的下村修与同事们，在当地的星期五港附近收集了约一万只水母来研究，终于在一种叫做维多利亚水母的体内，分离纯化了水母中的发光蛋白——水母素。他们还发现了另外一种蛋白，它在阳光下呈绿色、钨丝下呈黄色、紫外光下呈强烈绿色。经过研究发现，这是钙离子在与水母素的交互作用中发生了能量交换，从而产生了发光效应(一种能量释放形式)。
1962年下村修与美国科学家弗兰克·约翰逊在美国细胞生物学权威期刊《细胞和比较生理学》上发表了相关论文，这是对蛋白质发光进行系统分析的最早论文。经过十几年的艰苦研究，1974年他们终于提取出了这种蛋白，这就是后来的“绿色荧光蛋白”。
下村修并未意识到GFP的重要应用价值，他离开普林斯顿大学到伍兹·霍尔海洋生物学研究所后，其同事道格拉斯 ·普瑞舍对GFP很感兴趣，1985年与1992年，普瑞舍分别提取出了水母素与GFP的DNA，在将其打造成“生物北斗”的过程中迈出了关键一步。
此后，科学家们开始了将GFP在生物体内表达的研究。1994年，哥伦比亚大学的马丁·查尔菲，用GFP使秀丽隐杆线虫(一种通身透明、身躯纤细的线虫)的6个单独细胞有了颜色，引起轰动，科学界广泛意识到GFP发光标记的重要意义，此后不断有生物学家将GFP在各种微生物内表达。而华裔科学家钱永健的主要贡献是，从分子生物学的角度解释了 GFP的发光机理，并对GFP进行了定向改造，使其能发出除绿色之外其他颜色的光，目前世界上使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。
让“死物学”变成“生物学”
20世纪是生物学快速发展的100年，生物学先后出现了两次革命：一是生物化学奠基，其成果包括建立活体细胞代谢通道的基本原理、了解酶的功能、对蛋白质的结构解析达到原子水平等；二是传统基因学与核酸学结合，形成现代基因组学。借助大量先进的分析仪器，这门学科在近年取得了破译人类基因组图谱等成果。但生物化学和现代基因组学这两个生物学分支都面临一个重大难题——缺少跟踪活体细胞内部和外部分子实时变化的办法。绿色荧光蛋白的出现，恰好解决了这个难题。
化学反应中有一种被称做“同位素标记法”的分析方法，利用化学性质稳定、不参与反应过程的同位素(指一种元素具有相同核电荷但原子质量不同的原子)追踪化学反应。但这种方法在分子生物学等领域不太有效，因为分子生物学需要的不仅是化学反应，它对化学反应在细胞、组织间的具体传递过程等更感兴趣。GFP的发光反应正好填补了这一空缺，英国《苏格兰人报》在一篇报道中将GFP比作“分子侦探”。
钱永健的研究使得成为“侦探”的荧光蛋白，不再局限于绿色发光蛋白，他定向改造出多种不同的荧光蛋白，有的荧光更强，有的呈黄色、蓝色，有的可激活、变色，俄罗斯生物学家谢尔盖·卢克雅罗夫在珊瑚里发现了其他荧光蛋白(FP) ，包括红色荧光蛋白。荧光蛋白的多样化使其应用范围更加广泛，如可以同时用多种不同荧光蛋白对细胞进行标记。
荧光蛋白技术使得人们可以研究某些分子的活性。对有些研究来说，荧光蛋白的作用可谓“起死回生”。原来有些研究方法，需要把生物变成死物才能了解一些现象和过程，而以荧光蛋白为主要支柱之一的现代生物成像技术，使科学家在活的细胞中观察和研究这些过程，能把一部分“死物学”变成“生物学”。
荧光蛋白在三大领域“发光”
目前，荧光蛋白在很多领域都发挥着重大作用，包括有毒物质检测、神经生物分析及转基因动物研究等。比如，可用荧光蛋白检测水井中是否含有砷(俗称砒霜)。砷中毒问题在东南亚地区较为严重，常使很多人集体中毒。研究人员已经研发出带有荧光蛋白的抗砷性细菌，只要水中含有砷，细菌就会发出荧光并被仪器检测到，提醒人们不要饮用。GFP还可用作检测TNT(一种烈性炸药)、重金属等。
荧光蛋白在神经生理学上的应用也很受人关注，在它的帮助下，研究人员能看到以前所不能见的新世界，包括大脑神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。
荧光蛋白的另一种重要应用就是转基因动物。近年来，美国、韩国、日本等国曾多次培养出“发光的动物”，我国也在去年12月首次培养出绿色荧光转基因猪。转基因动物是指，将一种动物基因在另一种动物体内表达的过程，在遗传研究、器官移植、特种改良等领域具有重大意义。荧光蛋白由于结构简单可作为“报告基因”(一种编码可被检测的蛋白质或酶的基因)，大大简化了转基因动物的培养过程。
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