从水母起头的探索历程

从水母起头的探索历程

1955年，有人发现水母可以发绿光，但不知原因。1962年，当日裔美国科学家下村修（O.Shimomura）和美国科学家约翰森（F.H.Johnson）从水母中分离出生物发光蛋白——水母素（aequorin）时，意外地发现了一个副产物——绿色荧光蛋白（GFP），它在阳光下呈绿色。1974年，他们提取到了这种蛋白质。

GFP发光原理GFP的发光过程需要水母素的帮助。水母素与钙离子结合会发出蓝光，蓝光会立刻被一种蛋白质所吸收，而发出绿色荧光。（图片来源：http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP.ww/shimomura.html）

20世纪80年代，美国科学家普鲁切（D.Prasher）成功地克隆了水母中编码绿色荧光蛋白的基因，使得对荧光蛋白标记的大量应用成为可能。1994年，美国科学家沙尔菲（M.Chalfie）利用PCR技术扩增了GFP的编码区，成功地将它克隆到了大肠杆菌和线虫细胞中，通过紫外线或蓝光激发，均产生了美妙的绿色荧光。沙尔菲的这项研究首次证实了GFP作为发光标记物用于生物学研究的价值，这才是GFP作为荧光指示剂的真正突破。

由于荧光蛋白的“发光”基本不需要外来物质的“刺激”，并且具有极佳的稳定性，对生命体也无毒害，因此荧光蛋白可以在各种生命有机体内“点亮”科研人员们想要研究的分子或者基因。

尽管野生型GFP能够发出很绚丽的荧光，但还是有不少缺点，比如有两个激发峰，光稳定性不好，在37摄氏度时不能正确折叠等。于是，生物学家们发挥主观能动性的时候到了。1994年，美籍华裔科学家钱永健首次完成对GFP发光基团周围残基的重大改造，得到了多种改良型的GFP。改良过的GFP增强了光谱性质、荧光强度和光稳定性，其折叠能力也得到了改善，荧光蛋白的颜色也从原来的绿色，发展到现在的蓝色、蓝绿色和黄色。(https://www.daowen.com)

钱永健实验室里用荧光细菌绘制的“画作”（图片来源：钱永健实验室）

由于以上的研究，下村修、沙尔菲和钱永健获得了2008年的诺贝尔化学奖，关于荧光蛋白的研究也被誉为“点亮”了科学。值得八卦一下的是，普鲁切并没有得到诺贝尔奖，作为发现GFP基因并把它免费馈赠给这些诺贝尔获奖者们的科学家，普鲁切最终却因找不到一份科学领域的工作，而成了一名开巴士的司机，实在令人扼腕。

在科学界，荧光蛋白被称为生物化学的“北斗星”。通过常规的基因操纵手段，用荧光蛋白来标记目标蛋白质，可以跟踪和判断生物细胞的实时分子变化，了解以前看不到的生物过程，例如细胞分裂、染色体复制及分裂、发育和信号转导、肿瘤细胞的转移等过程。因为色彩鲜艳，荧光蛋白甚至被应用于商业领域。2003年美国约克镇推出的家庭宠物荧光鱼，就是其商业应用的首个案例。

各色荧光宠物鱼（图片来源：新闻网页）