倍可親

照亮細胞的熒光蛋白(zt)

作者:kylelong  於 2009-2-15 21:57 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

作者分類:科普知識|通用分類:其它日誌|已有7評論

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諾貝爾委員會將2008年的化學獎頒給了三位生物學教授,他們評價本次獎項為「一門學科的發現在另一門學科中發揚光大的又一例證」。

  

  獲獎人中資歷最老的日籍海洋生物學家下村修說:「我一生一共抓了85萬隻水母。從大量原材料中榨取一點點物質,這可是最傳統的化學研究。」一個化學發現是如何走進生物實驗室?讓我們從下村修的實驗材料——發綠光的水母說起。

  

水母工廠 

 

1960年,一位科學家將一小罐白色粉末交給初來美國的日籍科學家下村修,並告訴他這是從一些能發光的水母中取得的精華乾粉。下村修立刻被這神秘的粉末吸引,隨著第二年初夏的暖風來到了華盛頓盛產發光水母的星期五港(Friday Harbor)。

 

下村修所在的實驗室正好位於港灣。每天,柔軟的小水母都乘著早晚的潮汐成群結對地漂過他實驗室的兩側。其中一些會被下村修用小網兜截住,帶回實驗室。這些水母只有掌心大小,就像一把圓圓張開的小傘,在昏暗的水中發出幽幽綠光。發光的器官是一百多個小顆粒,就像點綴在小傘邊緣的微型燈泡。下村修將小傘邊緣剪下來,用棉布攥出水母「精華」。只是離開了原來的環境,它們似乎不太樂意發光。

 

令人驚奇的結果出現在一次意外,下村修將「精華」倒進洗手池,殘留的海水竟讓它們瞬間恢復了光芒——原來水母精華發光的一個重要秘密是需要海水中的鈣離子來輔助。這個發現點燃了下村修繼續工作的希望,因為他知道會發光的物質終於可以被毫髮無傷地分離出來了。

 

1962年,下村修從10000只小水母中純化出5毫克發光蛋白。同時被分離出來的還有另一種「綠蛋白」,在紫外光的照耀下會發出綠色熒光。這個蛋白後來被稱為「綠色熒光蛋白」——今日諾貝爾化學獎的主角終於在歷史上登台亮相。

 

將發光的蛋白從水母中分離出來並不是下村修的最終目的。他經過計算得知,如果想繼續進行更深入的理化性質和分子結構研究,則需要在一個夏天抓2.5噸共50000個發光的小水母!下村修帶著自己的妻子兒女和幾個幫手,整個夏天的早晚都拎著小桶在水邊抓水母。他曾在一篇文章中寫道:「五年過去了,當我的兒女長到八歲的時候,已經能抓得像成年人一樣快了!」

 

下村修沒有預料,發光水母他竟然持續抓了20年;他更沒想到的是,30年後,照亮水母的綠色熒光蛋白也照亮了其它生物的細胞。

 

綠色的細菌和線蟲

 

1988年,綠色熒光蛋白在一次大會上被偶然提起,在座的哥倫比亞大學教授馬丁·沙爾菲突然聯想:何不讓它走出水母,到其它生物中去發光?一個突發奇想,因為種種原因卻在4年後才在實驗室付諸實施;一個月後,大腸桿菌被神速地變成了綠色熒光蛋白生產車間,產量頗高以至於細胞在日光下就呈綠色。沙爾菲繼續將目光轉向他最喜歡的科研物種——線蟲。這種一毫米長的低等小生物通體透明,全身的900多個細胞清晰可辨。經過沙爾菲的改造,整條蟲僅有的6個觸覺感受細胞開始生產綠色熒光蛋白,在紫外光的照耀下,這6個細胞在蠕動的小蟲體內就好像用熒光筆描畫出來了一樣。

 

之後的十幾年中,綠色熒光蛋白又被用到了病毒、酵母、小鼠、植物甚至人類等各種生物——它們前所未有地在生活的狀態下被塗上了顏色:癌細胞裝載了綠色熒光,就與周圍細胞區別開來,它們擴張領地的腳步一覽無餘;小得難以追蹤的HIV病毒被鑲了熒光,它們如何進入細胞、躲在細胞哪個角落、怎樣從細胞中冒出去的種種過程就都被暴露在世人眼前……

 

研究還可以進入更微觀的層次。一枚細胞中的蛋白成千上萬,不僅長相相似,而且都是隱身的,科學家將綠色熒光蛋白專門連在他們喜歡的蛋白上,就像在蛋白後邊拖了一顆燈泡。小燈泡在黑暗的細胞中熠熠發光,看到它們跑來跑去,你就知道蛋白躲在哪裡,大約在做什麼事情。

 

委員會成員在評論綠色熒光蛋白的功績時說,它「照亮了生物學研究的未來」,不僅如此,它也擴展了我們視野所及的範圍。

 

細胞里的彩虹

 

儘管有許多成功的例子,但是野生綠色熒光蛋白畢竟是為水母而非實驗室而設計。它有時候不夠亮,有時候滅得太快,有時候在細胞里紮成一團給細胞造成麻煩,還有時甚至不聽話地把科學家喜歡的蛋白拽到錯誤的地方;更嚴重的是,激發野生綠色熒光蛋白需要用高能量的紫外線,這就使得觀察的過程不可避免地對細胞造成了損害。幸好第三位諾貝爾獎得主錢永健出場了,他是第一位致力於改造綠色熒光蛋白的人。今天,改造工程仍在世界上若干實驗室繼續,但是熒光蛋白的應用範圍已經得到大大拓寬。

 

除了讓綠色熒光蛋白變得更加完美,錢永健等人還用它做模板,先後變出了藍色系列、青色系列、黃色系列、橙色系列的熒光蛋白。再後來,一些科學家從一種海葵中分離出了紅色,人們親切地將其衍生出的紅粉系列命名為草莓、櫻桃、甜瓜、香蕉、橙子、梅子和覆盆子。至此,熒光蛋白終於能在細胞中畫出一道完整的彩虹。

 

去年,一組科學家讓這道彩虹華麗升空。他們用九十多種顏色的熒光蛋白「標記」了小鼠大腦中上百個細胞。一個個拖著長長神經纖維的神經細胞就像一個個五顏六色的風箏,整齊排布或者彼此相交。科學家們可以看出紅色細胞如何同綠色細胞并行不悖,藍色的又如何和紫色的相互糾纏,他們調侃地將小鼠命名為Brainbow(來自英語單詞Rainbow,意為彩虹);而這隻具有彩色大腦的小鼠也讓實驗室外的普通人一睹熒光蛋白的魅力。

 

綠色熒光蛋白在地球上已存在了一億六千萬年。直到公元一世紀,「發光的水母」才第一次被文字記載。又過了兩千年,神秘的熒光蛋白終於爬出海洋,鑽進了其它動物的細胞。

 

  至今也沒有人知道那些在那不勒斯港隨波徜徉的水母究竟如何享用自然送給它們這個閃耀的禮物,然而它無疑已經深入我們所在的「異域」,並幫助人類照亮了周圍那些本不可見的世界。

 

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發表評論 評論 (7 個評論)

回復 lfeich 2009-2-15 22:10
原來是那麼神奇的,謝謝介紹。
回復 junjiang 2009-2-15 22:53
再頂!
回復 tinydancer 2009-2-15 23:26
那些幫助我們認識這個世界的所有生物。。。。謝龍兄
回復 kylelong 2009-2-16 00:50
lfeich: 原來是那麼神奇的,謝謝介紹。
謝謝鼓勵。
回復 kylelong 2009-2-16 00:50
junjiang: 再頂!
謝謝鼓勵。
回復 kylelong 2009-2-16 00:50
tinydancer: 那些幫助我們認識這個世界的所有生物。。。。謝龍兄
謝謝鼓勵。
回復 媽媽咪 2009-2-16 03:25
謝謝龍老師的介紹。。。。

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