從美國來到斯德哥爾摩的日本人
2008年12月10日，瑞典首都斯德哥爾摩，諾貝爾獎的頒獎典禮在市中心的一座音樂廳中如期舉行。這一年的諾貝爾化學獎授予給了三位科學家，隨著瑞典皇家科學基金會的斯託爾克教授的介紹，第一個走到瑞典國王面前的是來自美國的日本人下村修。下村教授和哥倫比亞大學的馬丁·沙爾菲、加州大學霍華休斯醫學研究中心的教授錢永健因「發現並發展了綠色螢光蛋白（GFP）」而一起榮獲該獎項。
綠色螢光蛋白是什麼？為什麼發現它就可以獲得諾貝爾獎？下村教授他們是怎樣發現了這個大家都不熟悉的物質，並對其進行開發利用的呢？我們接下來要詳細介紹的這個物質已經成為現在生命科學研究領域裡最重要的工具之一。
從碗水母中提取出來的研究工具
21世紀初，被稱為「再生醫學」的科學領域裡科學家們前赴後繼努力研究的課題就是「iPS細胞」。iPS是英文induced pluripotent stem cells的縮寫，中文叫做「人工多功能幹細胞」。正如它的名字所示，它能分化為構成人體的200餘種細胞中的任意一種，具有可以成長為任何組織的潛能，被認為是萬能的細胞。從前，具有這種能力的細胞被稱為「ES細胞」，一直到最近幾年，ES細胞移植都為再生醫療的科學家們所矚目。但ES細胞只能通過破壞由人的精子和卵子受精而成的胚胎才能得到，而由生命的定義所引發的倫理問題成了該研究的重大障礙。而且，就算用ES細胞可以造出內臟器官，生物體所顯示的對製造胚胎的精子和卵子的提供者，即接受了父母的遺傳基因的「別人」的器官的免疫排斥問題還沒有得到基本上的解決。
而iPS細胞可以從本人的皮膚細胞等細胞中提取，通過眾多的遺傳因子的組合而人工性地賦予它多功能性。通過這種方法得到的細胞不存在倫理上的問題，而且因為是本人的細胞，所以也不存在免疫排斥問題。因此iPS細胞被期待著能夠在將來為再生醫療帶來翻天覆地的變化。iPS細胞是京都大學山中神彌教授的科研組在2007年最先得到的。
但是，通過這樣的遺傳因子的重組而得到的細胞真的是萬能的嗎？為了確認這個問題，就必須在老鼠等實驗動物體內實際注入這種細胞，然後觀察它全身的什麼地方發生了什麼樣的變化，而在這個過程中，準確無誤的追蹤技術不可或缺。
這時，發揮了決定性作用的就是被稱為「自從顯微鏡被發明以來」生物學上最大的革命性的工具——下村教授他們所發現的綠色螢光蛋白。這個物質也被稱為「GFP」（英文Green Fluorescent Protein的縮寫）。
GFP是由238個胺基酸構成的蛋白質，散發綠色的螢光。物質吸收可見光和紫外線等較短波長的光後，放出較長波長的光，這種現象叫做螢光。GFP是從碗水母（水母的一種，學名維多利亞水母多管水母Aequorea coerulescens1）的體內提取出來的蛋白質，把這種蛋白質的遺傳基因轉化入宿到目的遺傳基因附近後，這種遺傳基因就會發揮作用而使目的細胞發出綠色的螢光。因此，通過遺傳基因的轉化入宿來觀察生物，可以一目了然地觀察到目的細胞或者蛋白質在體內的什麼地方發生了什麼樣的變化。以前就有利用能發螢光的物質作為「追蹤物質」來追蹤體內某種物質的方法。但都只是用螢光物質給細胞染色，還遠遠達不到在細胞活著的狀態下觀察其內部某種特定蛋白質的活動的程度。相比之下，利用GFP的方法，蛋白質在被賦予了發光性質的狀態下還可以不斷繁殖，所以能夠嚴密地確定蛋白質在體內的位置。在目的蛋白質的遺傳基因裡結合上GFP的遺傳基因，目的蛋白質就會因為GFP的存在而發出螢光。而且，目的蛋白質只是具有了發光的性質，對其生物體本身並沒有不良影響。我們開始提到的山中教授的科研組確認了實驗動物體內的iPS細胞的特性，也是因為在合成細胞所用的轉基因2裡結合了GFP的遺傳基因。
現在關於癌症轉移和癌細胞增殖原理的研究，GFP已經成為不可或缺的手段。把GFP和與癌症有關的蛋白質相結合，並通過追蹤GFP所發的螢光，可以清楚地觀察到從最初的病灶流入到血液中的癌細胞是怎樣轉移到其他組織，在那裡又是怎麼增殖轉移的。
目前，在與蛋白質相關的所有生命科學的研究領域裡，GFP都發揮著巨大的威力。而發現了改變生命科學研究發展潮流的GFP並引導了其具體應用的真正先驅正是下村修教授。
目睹了投在長崎的原子彈的那一天
下村修於1928年生於日本京都府的福知山市。下村和弟弟是在祖母的養育下長大的。祖母對他們進行了嚴格的教育，給當時身體不太好的下村吃了很多煎蛋和豆奶之類的有營養的東西。她經常對下村說：「日本武士就算餓著肚子也不能示弱」。
當日本在太平洋戰爭中明顯處於劣勢的時候，下村的父親又被派往泰國，下村的學校也是軍事訓練的時間比平時上課的時間還長。1944年，為了躲避越來越頻繁的美軍空襲，家人被疏散到了長崎縣的諫早。1945年8月9日上午11點，下村和同學們在目睹了從距工廠15公裡左右西南方向的長崎上空飛來的B-29式轟炸機投下了兩三個沒有人的降落傘，之後又有其他的B-29式轟炸機飛過，大約有30秒的時間，他們眼睛什麼也看不到了。之後大約40秒後巨大的爆炸聲和氣浪席捲而來。大家都是過了很長時間後才知道那是原子彈的爆炸。
家人一起每天採集3000隻水母
第二次世界大戰後的1946年到1947年兩年時間裡，下村先後報考過三所大學，但都沒有被錄取。「戰爭期間，我在諫早高中沒上過一天課就畢業了，沒有留下任何關於高中教育的記錄。」下村在簡歷中寫道。1951年，下村以班級第一的成績從長崎大學（長崎醫大於1949年編入長崎大學）畢業，並得到了這所大學的分析化學研究室助手的職位。四年後的1955年，在長崎大學教授的推薦下他「國內留學」來到名古屋大學有機化學專業的平田義正教授（以研究河豚毒著稱，1990年獲文化功勞者稱號）的研究室。平田研究室的氣氛對下村來講非常理想。沒有人教他，他一邊看著周圍的人工作一邊學習。下
村來到研究室的第一天，平田教授就把一個大的真空乾燥置搬進研究室，對他說：「這裡放著乾燥的海螢」，然後交給了他研究課題：提純螢光素。螢光素是海螢放出的讓海水發出藍光的發光物質，提純和結晶這種物質是海外科學家經過長年的嘗試和研究都沒有成功的難題。但下村只用了10個月的時間就攻克了這個難題，而這也成為了他以後人生的重大轉折點。美國普林斯頓大學的弗蘭克·約翰森教授看到了提純螢光素的論文後，注意到了下村的研究能力，1959年，他向下村發出了招聘書邀請他到美國來。平田教授知道這件事後馬上以海螢的研究成功為名授予了下村博士學位，雖然下村當時並不是博士生。因為平田教授憑自己的留學經驗知道，如果有博士學位就可以在普林斯頓大學拿到兩倍的工資。
下村靠富布賴特獎學金的資助得到了旅費，通過相親和藥學部的畢業生大久保明美結婚，開始準備前往美國，終於在9月17日抵達了位於新澤西州中部的普林斯頓大學。之後他和約翰森教授投入到了新課題的研究中，即研究另一種海洋發光生物碗水母的發光機理。
前面講到的海螢的發光機理是由被稱為「螢光素——螢光素酶反應」的化學反應產生的。即海螢產生的發光素——螢光素蛋白質在螢光素酶的催化作用下氧化，這種氧化了的螢光素再和二氧化碳相結合而發出螢光。但碗水母卻是由其傘周圍排列的數百個發光器官發出綠光，與「螢光素——螢光素酶反應」具有不同的發光機理。
下村和約翰森在位於華盛頓州的星期五港的普林斯頓大學研究室裡建立研究據點，開始了碗水母的採集和發光物質的提純精煉工作。但一隻水母裡只含有其極微量的發光物質，為了提取它就必須先收集數量龐大的水母。下村馬上開始著手這個聽起來遙遙無期的工作，實驗所需的幾乎所有的水母都是他自己收集的，他不依賴銷售水母的公司或助手，只偶爾僱傭打工的高中生。從1960年年末開始，他動員妻子和年幼的女兒全家一起出動收集水母。就這樣，下村一家在每年夏天水母出現的時候就到星期五港收集無數漂浮在海裡的水母。柔軟的水母很容易受傷，所以他們在水裡把水母翻過來後用手抓進手工製作的網兜裡。他們一天收集3000隻，一個夏天能收集5萬到10萬隻的水母，然後把它們搬運到廢倉庫改選的臨時處理廠。約翰森教授把切肉用的刀改造成「水母刀」，用它快速地把發光器官集中的水母傘的邊緣切下來，然後再從中提取蛋白質做成被稱為「水母蛋糕」的蛋白質塊。整個夏天的成果也就是比足球還小的一個水母蛋糕。
終於解開了碗水母的發光機理之謎
1962年，下村和約翰森通過精煉這些水母蛋糕確定了發光蛋白質。他們把這個蛋白質命名為水母發光蛋白，並闡明了它之所以發光的機理。這個名字是根據碗水母的學名裡的水母而命名的。他們發現，水母發光蛋白存在於水母的發光器官中，它與細胞內的鈣離子結合後分解變成脫輔水母發光蛋白和氧化螢光素，發出藍色的光（特徵峰波長是460nm）。但這卻與水母本來發出的綠光顏色不同，水母的發光機理一定還與別的物質有關。做了這樣的預測之後，下村他們開始收集精煉更多的水母蛋糕。
幾個月後，他們終於成功地分離提取出了綠色螢光蛋白質GFP，原來是水母發光蛋白與GFP形成了複合體的緣故。終於在1974年被完全闡明的發光機理是這樣的，GFP在吸收了水母發光蛋白吸收鈣離子後發出藍光，之後又變成波長為508nm的綠色螢光。這個反應被稱為「螢光共振能量轉移」。GFP不僅能吸收水母發光蛋白的藍色光，只要接收到從外部而來的激發3光能量，GFP還可以自己發光。下村他們為完成這項研究共捕獲水母85萬隻，總重量達50噸。
GFP應用開發的先驅者最後成為時薪10美元的司機
雖然下村他們首次從生物體內提取出了螢光蛋白質分子，也發現了它的發光機理，但在當時他們並沒有想到這個水母發光蛋白和鈣離子相結合而發光的事實會有什麼應用價值。
在幾年之後的1987年，GFP的應用方法才開始被陸續開發出來。當時在麻薩諸塞州的伍茲霍爾海洋研究所（MBL）任助手的生物化學研究者道格拉斯·普蠟石對GFP接受從體外而來的能量而發出螢光的這一特性很感興趣，如果把GFP與其他的物質相結合，那它會不會就成了調查生物體內的組織和細胞舉動的示蹤物質呢？普蠟石花了五年的時間，終於在1992年成功解讀了GFP遺傳基因。可遺憾的是，他的研究經費也到此為止，他沒有完成最初設定的目標，GFP作為示蹤物質的研究告一段落。 但哥倫比亞大學的生物學家馬丁·查爾菲讀了普蠟石的論文後察覺到了GFP遺傳基因應用的廣大前景。他同普蠟石聯繫，希望拿到GFP遺傳基因，普蠟石很爽快地答應了。就這樣，普蠟石轉讓給查爾菲的GFP研究在以後有了非常大的進展。而打開了GFP應用研究突破口的普蠟石被伍茲霍爾研究所解僱。後來，他又在農業部和美國國家航空航天局（NASA）短期工作過一段時間，但都因為預算削減而被裁員。迫於生計，普蠟石最後來到位於阿拉巴馬州漢茨維爾的豐田交易所，做了一個時薪10美元的送迎顧客的司機才得以餬口。
2008年下村修和馬丁·沙爾菲、錢永健（後述）因「發現並發展了GFP」而一起獲得了諾貝爾化學獎。頒獎當日，沙爾菲和錢永健合力出錢請普蠟石和他的妻子來到了斯德哥爾摩，還在頒獎儀式上向在場觀眾們介紹了他的業績，下村、查爾菲和錢永健在獲獎感言裡都向普蠟石表示了感謝。
完成從發現到應用的轉化
繼承了普蠟石的研究的沙爾菲想通過實驗確認是否這種蛋白質無論在什麼樣的細胞中都會放出螢光。首先，他在最有代表性的原核生物—大腸桿菌的基因裡植入了被克隆的GFP基因。然後在乳酸培養基上進行培養，對由此生成的克隆物用能夠激發GFP發光的紫外線試著進行了照射，結果，克隆物全體發出了綠光，而大腸菌本身沒發生任何健康問題。這之後沙爾菲又用真核生物中最具代表性的叫做秀麗隱杆線蟲作了實驗，在它的神經細胞中的蛋白質β微管蛋白的遺傳基因裡結合了GFP遺傳基因。在用紫外線照射線蟲後，他清楚地觀察到了沿著體內的神經細胞發出的綠色螢光。這樣，沙爾菲首次成功地把GFP導入到異種細胞裡並使其單獨發揮作用。而且，這樣處理後的生物並沒有發生異常，證明了GFP作為示蹤物質的作用。
1994年，這個研究結果發表後，GFP一下子變得眾所周知，關於它的研究也霎時成為時代的寵兒。
雖然GFP的光具有即使在體外也可以被感知的強度，但考慮到將來可能在人體的內部使用，它的強度還是不夠，他們想要能發出更強螢光的蛋白質。另外這個螢光蛋白質只能發出綠光，如果能發出各種顏色的光的話，就可以根據用途分開使用，也可以把同一種生物體內的不同分子染成不同的顏色。在具有這種想法的人之中，有一位就是加利福尼亞大學聖地牙哥分校生物學藥學部的錢永健教授。
1994年，錢永健通過改良GFP遺傳基因而稍微改變了胺基酸的序列，開發出了光的波長雖然相同，還是在綠光的範圍內，但光的強度卻得以提高的改良型GFP。1998年，錢永健又改良了胺基酸的序列，開發出了螢光波長變長或變短，能發出不同顏色的光的變異型GFP。由於這些變異型是通過不同波長的紫外線照射而被激發的，因此雖然在同一個細胞裡，卻可以根據發光顏色的不同來同時顯示多個蛋白質的不同機能。其他的效果也逐漸被發現：這些結合了追蹤物質的兩個分子接近時會產生被稱為「螢光共振能量轉移」的現象。因此，用激發其中一個分子的波長的紫光照射後，其能量會轉移到另一個分子上，而接受到能量轉移的分子就會發出螢光。利用這個原理可以觀察到生物體內正在進行的蛋白質之間的複雜的相互作用。
距下村的發現半個世紀後的今天
如果把到目前為止GFP發現、發展的過程比喻為電視技術的話，下村修發現，普蠟石和沙爾菲發展應用的綠色GFP相當於初期的黑白電視，而錢永健開發的多色螢光蛋白質就相當於彩色電視。而隨著從黑白到彩色的進步，其傳達的信息數量也有了飛躍性的擴大。利用這個多色彩的特性，現在有五花八門的研究正在進行著。比如哈佛大學的腦科學家傑夫·利克特曼在老鼠的腦細胞遺傳基因裡植入了黃、紅、藍三種螢光蛋白質的遺傳基因。它們分別和不同的腦內物質相結合，根據其在神經細胞內的生長狀況不同，每個細胞全體的顏色發生各種各樣的變化。把這樣做成的老鼠腦切片放在紫外線下照射，每個神經細胞的顏色繽紛閃爍，看起來宛如彩虹或者印象派大師的抽象畫。細胞的顏色多達八十多種，利克特曼把這種狀態下的老鼠命名為「彩虹老鼠」（也叫螢光老鼠），以強調腦與彩虹的組合。隨著這個染色方法的實現，錢永健的夢想也實現了，識別每個腦細胞變得容易了，追蹤細胞之間的接線，確認細胞的病變也比原來更迅速更準確了。螢光蛋白質的遺傳信息已經被公開，現在，全身細胞都發螢光的老鼠的系統也已經被確立。而且在寵物店，可以看到通過遺傳基因改造而能發出各種顏色螢光的觀賞性熱帶魚。
可是從生物學的角度來看，通過遺傳基因重組而被植入了螢光蛋白質的蛋白質並不是不會發生任何問題。的確，被植入了螢光蛋白質的普通蛋白質還照常工作，細胞的機能看起來也沒發生什麼異常。可是，蛋白質本來具有的機能是由它的立體結構決定的。那麼，普通的蛋白質在植入了作為異物的螢光蛋白質之後，它本來的機能還能完全發揮出來麼，有沒有因此而引發異常的可能性呢，這些問題都還沒有得到確認。為了避免這些問題的發生，至少要保證螢光蛋白質的質量及其微小，而且不能妨礙目的蛋白質的正常工作。另外，現在螢光蛋白質的發光能力還不是完全穩定，還達不到完全準確的追蹤特定分子的水平。因此，世界各地的科學家們正在努力探索質量更小、螢光強度更強的新物質。
下村修在20世紀50年代和60年代裡採集了不計其數的釋放綠色螢光的碗水母，一直到從中發現螢光蛋白質GFP，時間又過了半個世紀，他的業績不僅得到了諾貝爾獎的表彰，那之後的研究者們更是將其發揚光大，使之成為下村自己當時都沒有預想到的重要的科學研究的工具。