【動畫】成就三位諾獎得主發光蛋白如何在科研中大放異彩?

2020-12-03 澎湃新聞

【動畫】成就三位諾獎得主發光蛋白如何在科研中大放異彩？

2020-08-29 08:26 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

在我們的地球上生活著千姿百態、形形色色的生命，其中發光生物無疑是驚鴻一瞥。發光生物幾乎遍布全球，有超過700個屬，這其中又有80 %源於海洋。大家也許還記電影《少年派的奇幻漂流》中，漆黑的夜晚，「派」獨自漂浮在平靜的海面上，綠色水母點綴著波光引人無限遐想。

然而，水母是如何進化出發光能力的呢？這在很長一段時間都是個謎。直至20世紀中期，在眾多科學家的努力下，水母的發光之謎被逐漸揭開。科學家首先在螢火蟲體內提取出一種奇特的蛋白——螢光素蛋白。其後，日本科學家下村修決定研究一種名為Aequoreavictoria的水母，下村修等發現在水母的傘狀體邊緣聚集有大量能夠發光的細胞，這些細胞中可以分離到一種可以發光的蛋白，隨後被稱作「水母蛋白」。

Aequorea Victoria水母

下村修發現「水母蛋白」對鈣離子非常敏感，能特異結合游離的鈣離子，並催化其底物發生氧化反應而發出藍光，因此可以作為細胞內鈣離子的螢光指示劑，在細胞功能研究中得到廣泛的應用。人類從此開始了大名鼎鼎的水母發光蛋白aequorin研究之旅。有意思的是，純化後的aequorin發出藍色光，但水母在自然條件下發出的卻是綠色螢光。科學界推測，水母中一定存在著另外一種綠色螢光蛋白，這種綠色螢光蛋白可以將aequorin發出的藍光進行過濾，從而使水母發出綠光。這個推測中的綠色螢光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）在隨後的研究中被成功分離獲得。研究發現，綠色螢光蛋白在水母中之所以能發光，是因為水母發光蛋白aequorin在鈣刺激下發生氧化反應，其產生的能量可轉移到綠色螢光蛋白，刺激其發出綠色螢光。這是物理化學領域已知的螢光共振能量轉移現象在生物體中的首次發現。

種類繁多的螢光蛋白

馬丁-查爾菲將綠色螢光蛋白作為發光標籤應用於科學研究，開創了綠色螢光蛋白的應用先河。馬丁-查爾菲首次在大腸桿菌細胞成功表達了綠色螢光蛋白，證明綠色螢光蛋白不需要其他輔助蛋白和試劑，自身就可以產生螢光。這意味著綠色螢光蛋白可以作為通用標籤來標記其他蛋白質，從而方便人們觀察和示蹤其他蛋白表達的時間和空間變化，還可以用於研究蛋白質間的相互作用情況。

然而，天然的綠色螢光蛋白卻並不完美。華裔科學家錢永健巧奪天工將天然螢光蛋白這塊璞玉變成科學研究的無價之寶。通過改造螢光蛋白基因的序列，可以生成含有不同胺基酸序列的蛋白質，含有不同胺基酸序列的螢光蛋白會發出不同顏色、不同亮度及強度的螢光，極大的豐富了螢光蛋白的種類，更適合在活體生物上進行研究。目前的螢光蛋白包括了紅色螢光蛋白、藍色螢光蛋白、青色螢光蛋白和黃色螢光蛋白等，因為有水果般繽紛多彩的顏色，被人們形象地稱之為水果螢光蛋白。

對螢光蛋白有深入研究的三位諾貝爾獎得主

螢光蛋白可在活體細胞、組織和生物體內進行動態、直觀的微量化檢測，已成為21世紀應用最廣泛、最靈敏的技術。毫無疑問，這個技術也奠定了現代成像和分子成像技術的基礎，在隨後的研究中深入到各個學科中，極大地推動了全世界醫學和生命科學的發展。漫無邊際的科學海洋中，螢光標記就像是一盞信號燈，為尋找生命奧秘的科學家們指引「航行」的方向。