2008年度的诺贝尔化学奖注定要成为人们关注的焦点，这不仅仅因为获奖者中有华裔生物化学家钱永健，更因为这项获奖成果早已被生物、化学界的科学家们所熟识和运用，它能够将生物体内的蛋白质染上颜色，从而使得过去很难显现的生物生命过程在科学家的显微镜下展现得“淋漓尽致”。

 

10月8日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，将2008年度诺贝尔化学奖授予美国科学家下村修、美国科学家马丁·沙尔菲，美国华裔化学家钱永健，他们因为发现和研究绿色荧光蛋白(以下简称GFP)的贡献而获奖。

 

 

生物学家们对GFP大概都不陌生，它可以使细胞中散发着点点绿光，煞是好看。它1962年被发现，1992年被克隆，中间隔了30年。而它在生物界中被广泛应用，也就是这十几年的事。GFP到底有着怎样的前生今世？

 

1962年，下村修和约翰逊从维多利亚多管水母中分离生物发光蛋白——水母素时，意外地得到了一个副产物。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，他们得到了这个蛋白，当时称绿色蛋白、以后称绿色荧光蛋白。GFP在水母中之所以能发光，是因为水母素和GFP之间发生了能量转移。水母素在钙刺激下发光，其能量可转移到GFP，刺激GFP发光。这是物理化学中已知的荧光共振能量转移在生物中的发现。

 

但是，研究者们并没有意识到GFP的应用前景，慢慢就将其遗忘了。这一晃就是20年。直到1992年，道格拉斯·普瑞金克隆并测序了野生型的GFP，文章发表在Gene杂志上。但具有讽刺意味的是，基金评审委员会认为普瑞金的工作没有意义，不愿提供经费。普瑞金一气之下离开了科学界，将GFP的cDNA送给了几个实验室。

 

之后，很多人尝试用GFP的基因来表达蛋白，但都失败了。马丁·沙尔菲就考虑只用它的编码区域来表达。他用PCR的方法扩增了GFP的编码区，将它克隆到表达载体中，通过UV或蓝光激发，在大肠杆菌和线虫细胞内均产生了很美妙的绿色荧光。这才是GFP作为荧光指示剂的真正突破，文章发表在《科学》杂志上。

 

钱永健走出的可说是绿色荧光蛋白开发历程的“最后一步”，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。

 

北京大学生命科学学院院长饶毅在发奖前3天，在本报撰文介绍下村修、钱永健等人的研究。这是他成功预计的第8项诺贝尔奖。在接受本报记者采访时，他解释说：“生物发光，不是下村修首先研究的。但是他和约翰逊最先找到自身发光的蛋白质。普瑞金克隆了GFP的基因，马丁·沙尔菲和Inouye两个实验室表达了这个基因，而钱永健的工作改造了GFP，并且也是阐明发光原理的实验室之一。”

 

可以说，几位科学家演绎了一场精彩的“接力赛”，其中下村修、普瑞金和钱永健的工作特别突出，它为许多科学研究开辟了新途径。

 

 

几个月前，北京大学生命科学学院教授王世强的办公室来了一位客人，他叫李玉龙，而他正是王世强和钱永健曾经的研究生，一段故事就这样开讲了。

 

“其实在做绿色荧光蛋白之前，钱永健就已经开始琢磨标记蛋白质的事情了，那个时候他就考虑，如果细胞自己能带有荧光不就更好了吗？也就是说蛋白质自己可以进行编码，蛋白质如果能对钙敏感的话，那就更好了。说干就干，他当时就在搜索引擎中找到了十几篇相关的论文，并发现有人在水母里面发现了绿色荧光蛋白，并克隆出来了，这个人就是普瑞金。在当时的条件下，做克隆比现在要困难很多，克隆一个基因就可以发一篇很好的论文。”

 

机遇是源于思考和行动的。“当时互联网才刚刚兴起还没有电子邮件，美国在发表的论文上也才开始留电话号码，而以前如果看见有论文写得很好，都需要写一封信联系作者索取或请教。于是，钱永健便照着那个电话打了过去，他问‘我很感兴趣你这个荧光蛋白，可不可以把你的基因提供给我？’普瑞金爽快地答应了，只提出要钱永健将研究的第一篇论文挂上他的名字，同时钱永健也认为这个科学家很慷慨。资料也很快寄了过来，这样，才使得钱永健后面的研究开展了起来。”李玉龙讲起这一段来很兴奋。沙尔菲的基因也是向普瑞金要的。

 

而绿色荧光蛋白的最初发现者下村修也同样能说明好奇和执著对于科学研究的非常意义。饶毅对下村修的评价是“纯粹的科学好奇心”。“他这个人不在乎名利，获得诺贝尔奖之前非常的不出名，经常在实验室的角落里做着自己感兴趣的事情。2001年退休之后，他还继续在自己家的地下室作实验。”

 

 

据介绍，绿色荧光蛋白由238个氨基酸组成，最初是从维多利亚多管发光水母中分离出来的，在蓝光照射下会发出绿色荧光。绿色荧光蛋白是典型的β桶形结构，包含β折叠和α螺旋，将荧光基团包含在其中。严密的桶形结构保护着荧光基团，防止它被周围环境淬灭，内部面向桶形的环化结构，致使荧光基团形成。

 

近十多年来，绿色荧光蛋白的应用十分普遍。只要是作细胞的基因表达、蛋白定位以及蛋白间的相互作用都要用它，现在甚至应用于观察细胞间的相互作用。它能够使人们直接看到细胞内部的运动情况。在任何指定的时间都可以轻易地找出绿色荧光蛋白在哪儿：你只需要用紫外光去照射，这时所有的绿色荧光蛋白都将发出鲜艳的绿色。

 

绿色荧光蛋白特别突出的应用是在癌症研究的过程中，用荧光蛋白对肿瘤细胞标记使得科学家们能够观测到肿瘤细胞的成长、入侵、转移和新生等具体的过程。此外，像分子生物学，肿瘤生物学，免疫学，内分泌学，肝病学等会应用到它。例如生物学实验中“脑虹”实验，即对3种不同颜色的GFP加以调配，变成6种颜色，然后将它们分别“转移”给不同神经细胞，用以观察细胞的生长过程及其相互关系。

 

此外，对于有些研究来说，荧光蛋白的作用可以形容为“起死回生”：一些传统方法需要把生物变成死物才能研究某些现象和过程，而以绿色荧光蛋白为主要支柱之一的现代成像技术，使得科学家可以在活的细胞中观察和研究这些过程，使部分“死物学”变成了“生物学”。

 

饶毅评价说：“生物学中的现代成像技术发展很快，在未来是很有前途的一个领域。成像技术很有远景，因为其既是一种研究工作中必需的手段，又是一项很基础的工作。要达到最后在生物体内看到单分子的运动，现在还完全不能实现，因为非常困难，但这也是科学研究很有发展的一个领域。”

 

目前，我国相当多的生物实验室都在用绿色荧光蛋白，但在研究绿色荧光蛋白如发光机制这方面还比较少。此外，一些科学家也正在发展和开拓新的应用技术。

 

《科学时报》 (2008-10-15 A1要闻)