０８諾獎，讓未知世界顯影

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

你不禁會問，這支萬眾矚目能發綠光的試管，里面究竟盛放了什么神奇物質，竟然可以產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。

細菌見證08諾獎

大腸桿菌！就是在我們腸道內大量繁殖，若在水和食品中檢出此菌，就可認為是被糞便污染指標的大腸桿菌？天，這里可是權威、神圣、嚴謹的科學圣殿，可不是什么無厘頭的搞笑諾貝爾頒獎現場啊。

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，2005 年的諾貝爾醫學生理學獎就是頒發給了發現幽門螺桿菌的兩名科學家。1979 年根據活組織切片檢查結果，他們在病人胃腔下半部分發現了許多微小的、彎曲狀的附生細菌。此前，醫學界認為正常胃里細菌是不能存活的。正是這一發現，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”

頒獎會現場試管內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，包括被譽為“中國航天之父”和“火箭之王”、中國科學院和工程院兩院院士錢學森侄子錢永健在內的3 名科學家獲得了2008 年度諾貝爾化學獎。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 年中成為生物化學家、生命學家、醫學家和其他研究人員的引路明燈，成為當代生物科學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爭中跟隨美軍做“嵌入”式報道的記者，讓旁觀生物學反應的研究人員像在電視旁追蹤戰爭進程的觀眾一般，通過“現場直播”了解事件進展，綠色熒光蛋白基因也因此被稱為“分子偵探”。這一技術被稱為“為細胞生物學和神經生物學發展帶來一場革命”。

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，負責發光的基團位于桶中央。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”中的發光基團對藍光照射特別敏感。當它受到藍光照射時，會吸收藍光的部分能量，然后發射出綠色的熒光。利用這一原理，生物學家們可以用綠色熒光蛋白來標記幾乎任何生物分子或細胞，然后在藍光照射下進行顯微鏡跟蹤觀察。原本黑暗或透明的視場馬上變得星光點點——那是被標記了的活動目標。這種蛋白為生物與醫學實驗帶來革命，它發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胞層面的諸多反應。

由于綠色熒光蛋白用藍光一照就發出鮮艷綠光，研究人員將綠色熒光蛋白基因插入動物、細菌或其他細胞的遺傳信息之中，讓其隨著這些需要跟蹤的細胞復制，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，或是探究有害細菌的分裂、生長。在綠色熒光蛋白發現和應用以前，對生物活體樣本的實時觀察，是根本不可想象的。而這種徹底改變了生物學研究的蛋白質，最初是從一種廣泛見于太平洋海域的發光水母體內分離得到的。

來自大海的饋贈

在大自然中，具有發光能力的生物有不少，螢火蟲是陸地上最為人所熟悉的發光生物，我國古代還有“捕螢數百，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。事實上，這些動物的大多數發光機制，是兩種物質熒光素和熒光素酶合作產生的結果。但是，不同發光生物的熒光素和熒光素酶結構是不一樣的。因此，這些生物的發光本領，只能是它們自己的“專利”。

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

揭開“綠色革命”序幕

綠色熒光蛋白的發光機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的熒光素發光，而綠色熒光蛋白并不需要與其他物質合作，只需要用藍光照射，就能自己發光。在生物學研究中，科學家們更多的是利用這種能自己發光的熒光分子來作為生物體的標記。將這種熒光分子通過化學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。生物學家一直利用這種標記方法，把原本透明的細胞或細胞器從黑暗的顯微鏡視場中“揪出來”。

然而，傳統的熒光標記在發光的同時，會產生具有毒性的氧自由基，導致被觀察的細胞死亡，這叫做“光毒性”。因此，在綠色熒光蛋白發現以前，科學家們只能通過熒光標記來研究死亡細胞靜態結構。相反，綠色熒光蛋白的光毒性非常弱，非常適合用于標記活細胞。

可惜的是，自綠色熒光蛋白的發現起經過了20多年，才有人將其應用在生物樣品標記上。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、身軀纖細的線蟲)的6 個單獨細胞有了顏色，引起轟動。這不僅證實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的基本方法，而許多現代重大疾病都與基因表達的異常有關，科學界廣泛意識到綠色熒光蛋白發光標記的重要意義。至此，生物醫學研究的一場“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，但能發出紅色光的熒光蛋白，預示著熒光蛋白可以有不同的顏色。

錢學森侄子錢永健系統地研究了綠色熒光蛋白的工作原理，進一步搞清楚了綠色熒光蛋白特性，并對它進行了大刀闊斧地化學改造，通過改變其氨基酸排序，造出能吸收、發出不同顏色光的熒光蛋白，不但大大增強了它的發光效率，讓它們發光更久、更強烈。還發展出了紅色、藍色、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，供生物學家們選用。目前生物實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，科學家們就好像在細胞內裝上了“攝像頭”，得以實時鑒測各種病毒“為非作歹”的過程。

錢永健利用這些發現開發出各種熒光染料，使用這些熒光材料作出的最具代表性實驗莫過于2007年的“腦虹”。哈佛大學分子和細胞生物學小組將紅、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育階段使用色素基因，他們成功為老鼠的不同細胞涂上不同顏色。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，因此最終展現在顯微鏡下的老鼠腦干組織切片上有近百種顏色標記，如一幅色彩絢麗的抽象畫。瑞典皇家科學院在公報中專門提到“腦虹”實驗，公報說：“在一次引人入勝的實驗中，研究人員成功運用如萬花筒般的多種顏色標記老鼠大腦中不同神經細胞。”

醫學研究的“起死回生”

熒光蛋白技術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象和過程，而以熒光蛋白為主要支柱之一的現代生物成像技術，使科學家在活的細胞中觀察和研究這些過程，能把一部分“死物學”變成“活物學”。綠色熒光蛋白技術徹底改變了醫學研究。研究人員第一次能在活體細胞和活生生的動物身上同時研究基因與蛋白。綠色熒光蛋白已經成為現代生物科學研究領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，這包括大腦神經細胞的發育過程和癌細胞的擴散方式等。這一發現讓研究人員只需要看看動物體內出了什么狀況，搞清楚這個基因在什么地點、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光做出的突出貢獻，他們與綠色熒光蛋白的發現者80 歲的下村修一同共享了2008年的諾貝爾化學獎。