０８諾獎，讓未知世界顯影

2008 年10 月8 日，在諾貝爾新聞發(fā)布會的現(xiàn)場，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾化學(xué)獎評審委員會主席馮·海涅手持一支試管，置于藍(lán)光燈下，只見這支試管發(fā)出了美麗炫目的綠色熒光。

你不禁會問，這支萬眾矚目能發(fā)綠光的試管，里面究竟盛放了什么神奇物質(zhì)，竟然可以產(chǎn)生如此美輪美奐的色彩？如果告訴你，試管里裝的就是幾乎占人類糞便干重1/3 的大腸桿菌，你一定驚訝不已吧。

細(xì)菌見證08諾獎

大腸桿菌！就是在我們腸道內(nèi)大量繁殖，若在水和食品中檢出此菌，就可認(rèn)為是被糞便污染指標(biāo)的大腸桿菌？天，這里可是權(quán)威、神圣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)圣殿，可不是什么無厘頭的搞笑諾貝爾頒獎現(xiàn)場啊。

千真萬確，試管里盛放的正是我們十分熟悉的大腸桿菌。其實(shí)，2005 年的諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎就是頒發(fā)給了發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌的兩名科學(xué)家。1979 年根據(jù)活組織切片檢查結(jié)果，他們在病人胃腔下半部分發(fā)現(xiàn)了許多微小的、彎曲狀的附生細(xì)菌。此前，醫(yī)學(xué)界認(rèn)為正常胃里細(xì)菌是不能存活的。正是這一發(fā)現(xiàn)，使得原本慢性的、無藥可救的胃潰瘍變成了只需抗生素和一些其他藥物短期就可治愈的疾病。

照亮生命體的“分子偵探”

頒獎會現(xiàn)場試管內(nèi)的大腸桿菌是用綠色熒光蛋白基因改造過的。正是憑借綠色熒光蛋白，包括被譽(yù)為“中國航天之父”和“火箭之王”、中國科學(xué)院和工程院兩院院士錢學(xué)森侄子錢永健在內(nèi)的3 名科學(xué)家獲得了2008 年度諾貝爾化學(xué)獎。他們3 人將均分1 000 萬瑞典克朗（約合140萬美元）的獎金。

綠色熒光蛋白在過去的10 年中成為生物化學(xué)家、生命學(xué)家、醫(yī)學(xué)家和其他研究人員的引路明燈，成為當(dāng)代生物科學(xué)研究中最重要的工具之一。打個比方，綠色熒光蛋白就仿佛是伊拉克戰(zhàn)爭中跟隨美軍做“嵌入”式報道的記者，讓旁觀生物學(xué)反應(yīng)的研究人員像在電視旁追蹤戰(zhàn)爭進(jìn)程的觀眾一般，通過“現(xiàn)場直播”了解事件進(jìn)展，綠色熒光蛋白基因也因此被稱為“分子偵探”。這一技術(shù)被稱為“為細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)發(fā)展帶來一場革命”。

什么是綠色熒光蛋白呢？綠色熒光蛋白分子的形狀呈圓柱形，就像一個桶，負(fù)責(zé)發(fā)光的基團(tuán)位于桶中央。因此，綠色熒光蛋白可形象地比喻成一個裝有色素的“油漆桶”。裝在“桶”中的發(fā)光基團(tuán)對藍(lán)光照射特別敏感。當(dāng)它受到藍(lán)光照射時，會吸收藍(lán)光的部分能量，然后發(fā)射出綠色的熒光。利用這一原理，生物學(xué)家們可以用綠色熒光蛋白來標(biāo)記幾乎任何生物分子或細(xì)胞，然后在藍(lán)光照射下進(jìn)行顯微鏡跟蹤觀察。原本黑暗或透明的視場馬上變得星光點(diǎn)點(diǎn)——那是被標(biāo)記了的活動目標(biāo)。這種蛋白為生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗帶來革命，它發(fā)出的熒光像一盞明燈，幫助研究人員照亮生命體在分子層面和細(xì)胞層面的諸多反應(yīng)。

由于綠色熒光蛋白用藍(lán)光一照就發(fā)出鮮艷綠光，研究人員將綠色熒光蛋白基因插入動物、細(xì)菌或其他細(xì)胞的遺傳信息之中，讓其隨著這些需要跟蹤的細(xì)胞復(fù)制，可“照亮”不斷長大的癌癥腫瘤、跟蹤觀察阿爾茨海默氏癥對大腦造成的損害，或是探究有害細(xì)菌的分裂、生長。在綠色熒光蛋白發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用以前，對生物活體樣本的實(shí)時觀察，是根本不可想象的。而這種徹底改變了生物學(xué)研究的蛋白質(zhì)，最初是從一種廣泛見于太平洋海域的發(fā)光水母體內(nèi)分離得到的。

來自大海的饋贈

在大自然中，具有發(fā)光能力的生物有不少，螢火蟲是陸地上最為人所熟悉的發(fā)光生物，我國古代還有“捕螢數(shù)百，盛以大囊中以照書”的佳話。在海洋里，某些水母、珊瑚、和深海魚類也有發(fā)光的能力。特別是有的肉食性魚類，如鮟鱇等專門靠一條閃著熒光的觸角來把其他小魚吸引到自己的嘴邊，如果看過迪士尼動畫片《海底總動員》一定會對此深有印象。事實(shí)上，這些動物的大多數(shù)發(fā)光機(jī)制，是兩種物質(zhì)熒光素和熒光素酶合作產(chǎn)生的結(jié)果。但是，不同發(fā)光生物的熒光素和熒光素酶結(jié)構(gòu)是不一樣的。因此，這些生物的發(fā)光本領(lǐng)，只能是它們自己的“專利”。

1955 年兩位美國海洋生物學(xué)家達(dá)文波特與尼可，首次發(fā)現(xiàn)了水母可以發(fā)綠光，但他們無法解釋原因。1961年，一位日本科學(xué)家從美國西岸近海的水域打撈了大量發(fā)光水母，帶回位于華盛頓州的星期五港實(shí)驗室中進(jìn)行研究。這些水母在受到外界的驚擾時會發(fā)出綠色的熒光，這位科學(xué)家希望找到這種水母的熒光素酶。然而，經(jīng)過長期的重復(fù)努力，仍然毫無收獲。他大膽地假設(shè)，這種水母的發(fā)光機(jī)制也許并不是常規(guī)的熒光素或熒光素酶原理。他想，可能存在另一種能產(chǎn)生熒光的物質(zhì)。此后，他進(jìn)行了更多的實(shí)驗，終于搞清了這種水母的特殊發(fā)光原理。原來，在這種水母的體內(nèi)有一種叫水母素的物質(zhì)，在與鈣離子結(jié)合時會發(fā)出藍(lán)光，而這道藍(lán)光很快又被一種蛋白質(zhì)吸收，改發(fā)綠色的熒光。這種捕獲藍(lán)光，發(fā)出綠光的蛋白質(zhì)，就是綠色熒光蛋白。正是因為這項發(fā)現(xiàn)，讓這位生于1928 年名叫下村修的日本科學(xué)家獲得了2008年的諾貝爾化學(xué)獎。

揭開“綠色革命”序幕

綠色熒光蛋白的發(fā)光機(jī)理比熒光素或熒光素酶要簡單得多。一種熒光素酶只能與相對應(yīng)的熒光素發(fā)光，而綠色熒光蛋白并不需要與其他物質(zhì)合作，只需要用藍(lán)光照射，就能自己發(fā)光。在生物學(xué)研究中，科學(xué)家們更多的是利用這種能自己發(fā)光的熒光分子來作為生物體的標(biāo)記。將這種熒光分子通過化學(xué)方法掛在其他不可見的分子上，原來不可見的部分就變得可見了。生物學(xué)家一直利用這種標(biāo)記方法，把原本透明的細(xì)胞或細(xì)胞器從黑暗的顯微鏡視場中“揪出來”。

然而，傳統(tǒng)的熒光標(biāo)記在發(fā)光的同時，會產(chǎn)生具有毒性的氧自由基，導(dǎo)致被觀察的細(xì)胞死亡，這叫做“光毒性”。因此，在綠色熒光蛋白發(fā)現(xiàn)以前，科學(xué)家們只能通過熒光標(biāo)記來研究死亡細(xì)胞靜態(tài)結(jié)構(gòu)。相反，綠色熒光蛋白的光毒性非常弱，非常適合用于標(biāo)記活細(xì)胞。

可惜的是，自綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)起經(jīng)過了20多年，才有人將其應(yīng)用在生物樣品標(biāo)記上。1987 年，道格拉斯·普瑞舍克隆出了綠色熒光蛋白的基因序列，在將其打造成“生物北斗”的過程中邁出了關(guān)鍵一步。1993 年，馬丁·沙爾菲成功地通過基因重組的方法使得除水母以外的其他生物，如大腸桿菌等也能產(chǎn)生綠色熒光蛋白，用綠色熒光蛋白使隱桿線蟲(一種通身透明、身軀纖細(xì)的線蟲)的6 個單獨(dú)細(xì)胞有了顏色，引起轟動。這不僅證實(shí)了綠色熒光蛋白與活體生物的相容性，還建立了利用綠色熒光蛋白研究基因表達(dá)的基本方法，而許多現(xiàn)代重大疾病都與基因表達(dá)的異常有關(guān)，科學(xué)界廣泛意識到綠色熒光蛋白發(fā)光標(biāo)記的重要意義。至此，生物醫(yī)學(xué)研究的一場“綠色革命”揭開了序幕。此后，謝爾蓋·路基亞諾夫又從一種珊瑚中分離出了與綠色熒光蛋白類似，但能發(fā)出紅色光的熒光蛋白，預(yù)示著熒光蛋白可以有不同的顏色。

錢學(xué)森侄子錢永健系統(tǒng)地研究了綠色熒光蛋白的工作原理，進(jìn)一步搞清楚了綠色熒光蛋白特性，并對它進(jìn)行了大刀闊斧地化學(xué)改造，通過改變其氨基酸排序，造出能吸收、發(fā)出不同顏色光的熒光蛋白，不但大大增強(qiáng)了它的發(fā)光效率，讓它們發(fā)光更久、更強(qiáng)烈。還發(fā)展出了紅色、藍(lán)色、青色、黃色熒光蛋白，使得熒光蛋白真正成為了一個琳瑯滿目的工具箱，供生物學(xué)家們選用。目前生物實(shí)驗室普遍使用的熒光蛋白，大部分是錢永健改造的變種。有了這些熒光蛋白，科學(xué)家們就好像在細(xì)胞內(nèi)裝上了“攝像頭”，得以實(shí)時鑒測各種病毒“為非作歹”的過程。

錢永健利用這些發(fā)現(xiàn)開發(fā)出各種熒光染料，使用這些熒光材料作出的最具代表性實(shí)驗?zāi)^于2007年的“腦虹”。哈佛大學(xué)分子和細(xì)胞生物學(xué)小組將紅、黃、青3 種熒光色素嵌入老鼠基因組，隨著老鼠胚胎的生長而分裂生長。研究人員隨后用來自細(xì)菌的重組基因激活這些色素基因。通過在老鼠不同部位或不同發(fā)育階段使用色素基因，他們成功為老鼠的不同細(xì)胞涂上不同顏色。由于研究人員采用的三種基因色素相互組合形成多種顏色，因此最終展現(xiàn)在顯微鏡下的老鼠腦干組織切片上有近百種顏色標(biāo)記，如一幅色彩絢麗的抽象畫。瑞典皇家科學(xué)院在公報中專門提到“腦虹”實(shí)驗，公報說：“在一次引人入勝的實(shí)驗中，研究人員成功運(yùn)用如萬花筒般的多種顏色標(biāo)記老鼠大腦中不同神經(jīng)細(xì)胞。”

醫(yī)學(xué)研究的“起死回生”

熒光蛋白技術(shù)使得人們可以研究某些分子的活性。對有些研究來說，熒光蛋白的作用可謂“起死回生”。原來有些研究方法，需要把生物變成死物才能了解一些現(xiàn)象和過程，而以熒光蛋白為主要支柱之一的現(xiàn)代生物成像技術(shù)，使科學(xué)家在活的細(xì)胞中觀察和研究這些過程，能把一部分“死物學(xué)”變成“活物學(xué)”。綠色熒光蛋白技術(shù)徹底改變了醫(yī)學(xué)研究。研究人員第一次能在活體細(xì)胞和活生生的動物身上同時研究基因與蛋白。綠色熒光蛋白已經(jīng)成為現(xiàn)代生物科學(xué)研究領(lǐng)域最重要的工具之一。在它的幫助下，研究人員能夠看到前所未見的新世界，這包括大腦神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育過程和癌細(xì)胞的擴(kuò)散方式等。這一發(fā)現(xiàn)讓研究人員只需要看看動物體內(nèi)出了什么狀況，搞清楚這個基因在什么地點(diǎn)、什么時間被激活，或什么時候這個蛋白被造出來，它要上哪兒去。它們都打著手電筒，告訴你它們在哪兒。

由于61 歲的馬丁·沙爾菲指出綠色熒光蛋白的發(fā)光特性在生物示蹤方面有極高價值，56 歲的錢永健為理解綠色熒光蛋白怎么發(fā)光做出的突出貢獻(xiàn)，他們與綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)者80 歲的下村修一同共享了2008年的諾貝爾化學(xué)獎。