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照亮细胞的荧光蛋白

作者:桔子帮小帮主  转载自:http://songshuhui.net/archives/2575  发布日期:2011-10-18

已发于《外滩画报》
10268_web 诺贝尔委员会将今年的化学奖颁给了三位生物学教授,他们评价本次奖项为“一门学科的发现在另一门学科中发扬光大的又一例证”。

获奖人中资历最老的日籍海洋生物学家下村修说:“我一生一共抓了85万只水母。从大量原材料中榨取一点点物质,这可是最传统的化学研究。”一个化学发现是如何走进生物实验室?让我们从下村修的实验材料——发绿光的水母说起。

水母工厂
1960年,一位科学家将一小罐白色粉末交给初来美国的日籍科学家下村修,并告诉他这是从一些能发光的水母中取得的“精华干粉”。下村修立刻被这神秘的粉末吸引,随着第二年初夏的暖风来到了华盛顿盛产发光水母的星期五港(Friday Harbor)。

下村修所在的实验室正好位于港湾。每天,柔软的小水母都乘着早晚的潮汐成群结对地漂过他实验室的两侧。其中一些会被下村修用小网兜截住,带回实验室。这些水母只有掌心大小,就像一把圆圆张开的小伞,在昏暗的水中发出幽幽绿光。发光的器官是一百多个小颗粒,就像点缀在小伞边缘的微型“灯泡”。下村修将小伞边缘剪下来,用棉布攥出水母“精华”。只是离开了原来的环境,它们似乎不太乐意发光。

令人惊奇的结果出现在一次意外,下村修将“精华”倒进洗手池,残留的海水竟让它们瞬间恢复了光芒——原来水母“精华”发光的一个重要秘密是需要海水中的钙离子来辅助。这个发现点燃了下村修继续工作的希望,因为他知道会发光的物质终于可以被毫发无伤地分离出来了。

1962年,下村修从10000只小水母中纯化出5毫克发光蛋白。同时被分离出来的还有另一种“绿蛋白”,在紫外光的照耀下会发出绿色荧光。这个蛋白后来被称为“绿色荧光蛋白”——今日诺贝尔化学奖的主角终于在历史上登台亮相。

将发光的蛋白从水母中分离出来并不是下村修的最终目的。他经过计算得知,如果想继续进行更深入的理化性质和分子结构研究,则需要在一个夏天抓2.5吨共50000个发光的小水母!下村修带着自己的妻子儿女和几个帮手,整个夏天的早晚都拎着小桶在水边抓水母。他曾在一篇文章中写道:“五年过去了,当我的儿女长到八岁的时候,已经能抓得像成年人一样快了!”

下村修没有预料,发光水母他竟然持续抓了20年;他更没想到的是,30年后,照亮水母的绿色荧光蛋白也照亮了其它生物的细胞。

绿色的细菌和线虫
1988年,绿色荧光蛋白在一次大会上被偶然提起,在座的哥伦比亚大学教授马丁·沙尔菲突然联想:何不让它走出水母,到其它生物中去发光?一个突发奇想,因为种种原因却在4年后才在实验室付诸实施;一个月后,大肠杆菌被神速地变成了“绿色荧光蛋白生产车间”,产量颇高以至于细胞在日光下就呈绿色。沙尔菲继续将目光转向他最喜欢的科研物种——线虫。这种一毫米长的低等小生物通体透明,全身的900多个细胞清晰可辨。经过沙尔菲的改造,整条虫仅有的6个触觉感受细胞开始“生产”绿色荧光蛋白,在紫外光的照耀下,这6个细胞在蠕动的小虫体内就好像用荧光笔描画出来了一样。

 

之后的十几年中,绿色荧光蛋白又被用到了病毒、酵母、小鼠、植物甚至人类等各种生物——它们前所未有地在生活的状态下被涂上了颜色:癌细胞装载了绿色荧光,就与周围细胞区别开来,它们扩张领地的脚步一览无余;小得难以追踪的HIV病毒被镶了荧光,它们如何进入细胞、躲在细胞哪个角落、怎样从细胞中冒出去的种种过程就都被暴露在世人眼前……

研究还可以进入更微观的层次。一枚细胞中的蛋白成千上万,不仅长相相似,而且都是“隐身”的,科学家将绿色荧光蛋白专门连在他们喜欢的蛋白上,就像在蛋白后边拖了一颗灯泡。小灯泡在黑暗的细胞中熠熠发光,看到它们跑来跑去,你就知道蛋白躲在哪里,大约在做什么事情。

委员会成员在评论绿色荧光蛋白的功绩时说,它“照亮了生物学研究的未来”,不仅如此,它也扩展了我们视野所及的范围。

细胞里的彩虹
尽管有许多成功的例子,但是野生绿色荧光蛋白毕竟是为水母而非实验室而设计。它有时候不够亮,有时候灭得太快,有时候在细胞里扎成一团给细胞造成麻烦,还有时甚至不听话地把科学家喜欢的蛋白拽到错误的地方;更严重的是,激发野生绿色荧光蛋白需要用高能量的紫外线,这就使得观察的过程不可避免地对细胞造成了损害。幸好第三位诺贝尔奖得主钱永健出场了,他是第一位致力于改造绿色荧光蛋白的人。今天,改造工程仍在世界上若干实验室继续,但是荧光蛋白的应用范围已经得到大大拓宽。

除了让绿色荧光蛋白变得更加完美,钱永健等人还用它做模板,先后变出了蓝色系列、青色系列、黄色系列、橙色系列的荧光蛋白。再后来,一些科学家从一种海葵中分离出了红色,人们亲切地将其衍生出的红粉系列命名为草莓、樱桃、甜瓜、香蕉、橙子、梅子和覆盆子。至此,荧光蛋白终于能在细胞中画出一道完整的彩虹。

IMAGE - PLATE - Beach

(用产生不同颜色荧光蛋白的细菌创作的图画)

去年,一组科学家让这道彩虹华丽升空。他们用九十多种颜色的荧光蛋白“标记”了小鼠大脑中上百个细胞。一个个拖着长长神经纤维的神经细胞就像一个个五颜六色的风筝,整齐排布或者彼此相交。科学家们可以看出红色细胞如何同绿色细胞并行不悖,蓝色的又如何和紫色的相互纠缠,他们调侃地将小鼠命名为Brainbow(来自英语单词Rainbow,意为彩虹);而这只具有彩色大脑的小鼠也让实验室外的普通人一睹荧光蛋白的魅力。

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绿色荧光蛋白在地球上已存在了一亿六千万年。直到公元一世纪,“发光的水母”才第一次被文字记载。又过了两千年,神秘的荧光蛋白终于爬出海洋,钻进了其它动物的细胞。

至今也没有人知道那些在那不勒斯港随波徜徉的水母究竟如何享用自然送给它们这个闪耀的礼物,然而它无疑已经深入我们所在的“异域”,并帮助人类照亮了周围那些本不可见的世界。



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