神奇的荧光蛋白打造五光十色的动物世界
神奇的荧光蛋白打造五光十色的动物世界

目前,GFP的用途已经扩展到艺术和商务领域,艺术家通过把GFP插入兔子细胞内创造出了一只荧光的绿色兔子.

从下面的8张图片,我们将看到绿色荧光蛋白质在科学研究和艺术领域发挥作用的美丽而令人惊讶的例子:

含有荧光蛋白的水母

GFP可以形成自己的发色团,它非常适合于基因工程

具有荧光蛋白的昆虫

随着病毒在宿主体内不断扩散,你就可以通过跟踪发出的绿光来观察病毒的扩散途径;或者你把它接合到一种蛋白质上并通过显微镜观察它在细胞内部的移动

1997年7月日本大阪大学的科研人员首次培育出能够夜里发光的含有绿色荧光蛋白的老鼠

拥有绿色荧光蛋白的蜜蜂

科学使用绿色荧光蛋白跟踪大脑细胞的活动

含有绿色荧光蛋白的兔子

网易探索讯 据《每日科学》网站报道,瑞典皇家科学院把今年的诺贝尔化学奖授予了美国加州大学圣迭戈分校生物化学及化学系教授、美国国家科学院院士钱永健,美国哥伦比 亚大学生物学教授马丁·沙尔菲,日本有机化学家兼海洋生物学家下村修,以表彰三人作为绿色荧光蛋白的发现者和推广者,所取得的科学成就。

绿色荧光蛋白(GFP)(蛋白质编号1gfl),是从一种生活在北太平洋寒冷水域的水母体内发 现的。这种水母体内含有一种生物发光蛋白质——aequorin,它本身发蓝光。GFP能把这种光转变成绿色,也就是当水母容光焕发的时候我们实际看到的 颜色。GFP的纯溶液在典型的室光下呈黄色,但是当被拿到户外的阳光下时,它会发出鲜绿的颜色。这种蛋白质从阳光中吸收紫外光,然后以能量较低的绿光形式 发射出来。绿色荧光蛋白质可以帮助科学家了解细胞如何工作,这种神奇的蛋白质是当代生物化学研究的最为重要的工具之一。 利用绿色荧光蛋白,研究人员可以使用多种技术来跟踪动物器官的工作机理。可以跟踪癌细胞和大脑细胞的组织活动。这些都给人类带来了不可估量的作用,为人类 解决医学难题提供了宝贵的信息。因为它能够使我们直接看到细胞内部的运动情况。你只需要用紫外光去照射,这时所有的GFP都将发出鲜艳的绿色。比如,你可 以把它连接到一种病毒上。然后,随着病毒在宿主体内不断扩散,你就可以通过跟踪发出的绿光来观察病毒的扩散途径;或者你把它接合到一种蛋白质上并通过显微 镜观察它在细胞内部的移动。 因此康涅狄格学院化学家、《发光基因》作者马克·齐默(Mark Zimmer)将绿色荧光蛋白质称之为“21世纪的显微镜”。科学家称,在生物的器官中,有数以千万记的不同种类的蛋白质。如果这些蛋白质一旦出现“故 障”,那么疾病就会随之而来。所以,标明不同种类蛋白质的特殊功能,对于生物科学来说,是十分重要的。使用荧光蛋白,人们可以观察蛋白质的运动过程,和活 动情况以及被跟踪的蛋白质之间的化学作用。

首先发现绿色荧光蛋白的是生于1928年的日本有机化学家兼海洋生物学家下村修。下村修现年 80岁,出生于日本京都府,1960年获得名古屋大学理学博士学位,曾先后在美国普林斯顿大学、波士顿大学和伍兹霍尔海洋生物实验所工作。钱永健是绿色荧 光蛋白发展历程中最为关键的的缔造者,他在下村修与沙尔菲研究的基础上进一步搞清楚了绿色荧光蛋白特性。他改造绿色荧光蛋白,通过改变其氨基酸排序,造出 能吸收、发出不同颜色光的荧光蛋白,其中包括蓝色、青色和黄色,并让它们发光更久、更强烈。世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。钱 永健1952年生于纽约,现为美国加州大学圣迭戈分校生物化学及化学系教授、美国国家科学院院士、国家医学院院士,2004年沃尔夫奖医学奖得主。主要贡 献是利用水母发出绿光的化学物来追查实验室内进行的生物反应,他被认为是这方面的先驱。

在生物的活体器官中,有数以千万记不同种类的蛋白质。这些蛋白质控制着器官中每一瞬间发生的任 何化学反应。所以,标明不同种类蛋白质的特殊功能,对于生物科学来说,是十分重要的。虽然蛋白质本身发光,但是下村修和约翰森的研究表明,从水母中提取的 发光蛋白质可以作为一种激化制剂。1962年,下村修和约翰森等在《细胞和比较生理学杂志》上报道,他们分离纯化了水母中发光蛋白水母素。1963年,他 们在《科学》杂志报道钙和水母素发光的关系。其后两位来自美国的科学家发现钙离子是生物体内的重要信号分子。于是,科研人员根据下村修和约翰森发现的水母 素的原理,使得水母素成为第一个有空间分辨能力的钙检测方法,这是目前仍用的方法之一。1955年达文波特和尼克尔发现水母可以发绿光,但不知其因。在 1962年下村修和约翰森在那篇纯化水母素的文章中,有个注脚,说还发现了另一种蛋白,它在阳光下呈绿色、钨丝下呈黄色、紫外光下发强烈绿色。其后他们仔 细研究了其发光特性。1974年,他们纯化到了这个蛋白,当时称绿色蛋白、以后称绿色荧光蛋白GFP。Morin和Hastings提出水母素和GFP之 间可以发生能量转移。水母素在钙刺激下发光,其能量可转移到GFP,刺激GFP发光。这是物理化学中知道的荧光共振能量转移(FRET在生物中的发现。 1992年,普腊石拿到了GFP的基因,使得研究者的应用更加方便。

GFP是一种现成的荧光蛋白质,因此它特别容易使用。大多数可以处理光的蛋白质都利用外来的分 子吸收和释放光子。例如,我们的眼睛就是利用维生素来感光。不同的是,GFP控制光的部位是其自身的一部分,仅由氨基酸构建而成,该部位含有一段三个氨基 酸组成的特殊序列:丝氨酸-酪氨酸-甘氨酸(有时丝氨酸会被相似的苏氨酸取代)。当蛋白质链折叠时,这段短片段就被深埋在蛋白质内部,然后,发生一系列化 学反应:甘氨酸与丝氨酸之间形成化学键,生成一个新的闭合环,随后这个环会自动脱水。最终,经过大约一个小时的反应,周围环境中的的氧气攻击酪氨酸的一个 化学键,形成一个新的双键并合成荧光发色团。由于GFP可以形成自己的发色团,它非常适合于基因工程。你根本不必担心操作任何奇怪的发色团,你只需要利用 遗传学的方法操纵细胞合成GFP蛋白质,GFP就会自动折叠并开始发光。

目前,GFP的用途已经扩展到艺术和商务领域,艺术家通过把GFP插入兔子细胞内创造出了一只 荧光的绿色兔子。育种工作者正在探索利用GFP来创造特殊的荧光植物和各种鱼类,GFP已经被移植到大鼠、老鼠、青蛙、有翅昆虫、蠕虫以及不计其数的其它 生物体内。当然这些转基因植物和动物还存在一些争议,并且已经引发了关于基因工程安全性和伦理性的重要对话。 (翻译:普莱)