标题：神奇的荧光蛋白打造五光十色的动物世界
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)
来源：http://discover.news.163.com/08/1013/12/4O4QTUSP000125LI.html
图片1: 含有荧光蛋白的水母
图片2: GFP可以形成自己的发色团，它非常适合于基因工程
图片3: 科学使用绿色荧光蛋白跟踪大脑细胞的活动
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中国网10月8日讯 钱永健夺得2008年度诺贝尔化学奖，他发明多色莹光蛋白标记技术，为细胞生物学和神经生物学发展带来一场革命。
钱永健与生物发光现象研究
1994年，华裔美国科学家钱永健（Roger Y Tsien）开始改造GFP，有多项发现。世界上用的大多数是钱永健实验室改造后的变种，有的荧光更强，有的黄色、蓝色，有的可激活、可变色。到一些不常用做研究模式的生物体内找有颜色的蛋白成为一些人的爱好，现象正如当年在嗜热生物中找到以后应用广泛的PCR用多聚酶后的一波浪潮。不过真发现的有用东西并不很多。成功的例子有俄国科学院生物有机化学研究所Sergey A. Lukyanov实验室从珊瑚里发现其他荧光蛋白，包括红色荧光蛋白。
生物发光现象，下村修和约翰森以前就有人研究。萤火虫发荧光，是由荧光酶（luciferase）作为酶催化底物分子荧光素（luciferin），有化学反应如氧化，以后产生荧光。而蛋白质本身发光，无需底物，起源是下村修和约翰森的研究。
下村修和约翰森用过几种实验动物，和本故事相关的是学名为Aequorea victoria的水母。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。据说下村修用水母提取发光蛋白时，有天下班要回家了，他把产物倒进水池里，临出门前关灯后，依依不舍地回头看了一眼水池，结果见水池闪闪发光。因为水池也接受养鱼缸的水，他怀疑是鱼缸成分影响水母素，不久他就确定钙离子增强水母素发光。1963年，他们在《科学》杂志报道钙和水母素发光的关系。其后Ridgway和Ashley 提出可以用水母素来检测钙浓度，创造了检测钙的新方法。钙离子是生物体内的重要信号分子，水母素成为第一个有空间分辨能力的钙检测方法，是目前仍用的方法之一。
1955年Davenport和Nicol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。
下村修本人对GFP的应用前景不感兴趣，也没有意识到应用的重要性。他离开普林斯顿到 Woods Hole海洋研究所后，同事普腊石(Douglas Prasher)非常感兴趣发明生物示踪分子。1985年普腊石和日裔科学家Satoshi Inouye独立根据蛋白质顺序拿到了水母素的基因（准确地说是cDNA）。1992年，普腊石拿到了GFP的基因。有了cDNA，一般生物学研究者就很好应用，比用蛋白质方便多了。
普腊石1992年发表GFP的cDNA后，不做科学研究了。他申请美国国家科学基金时，评审者说没有蛋白质发光的先例，就是他找到了，也没什么价值。一气之下，他离开学术界去麻省空军国民卫队基地，给农业部动植物服务部工作。当时他如果花几美元，就可以做一个一般研究生都能做，但是非常漂亮的工作：将水母的GFP基因放到其他生物体内，比如细菌里，看到荧光，就完全证明GFP本身可以发光，无需其它底物或者辅助分子。
将GFP表达到其它生物体这项工作，1994年由两个实验室独立进行：美国哥伦比亚大学做线虫的Marty
Chalfie实验室，和加州大学圣迭哥分校、Scripps海洋研究所的两位日裔科学家Inouye和Tsuji。
水母素和GFP都有重要的应用。但水母素仍是荧光酶的一种，它需要荧光素。而GFP蛋白质本身发光，在原理上有重大突破。
Chalfie的文章立即引起轰动，很多生物学研究者纷纷将GFP引入自己的系统。在一个新系统表达GFP就能在《自然》、《科学》上发表文章，其实不过是跟风性质，没有原创性。
纵观整个过程，从1961年到1974年，下村修和约翰森的研究遥遥领先，而很少人注意。如果其他生化学家愿意，他们也可以得到水母素和GFP，技术并不特别难。在1974年以后，特别是八十年代后，后继的工作，很多研究生都很容易做。其中例外是钱永健实验室发现变种出现新颜色，并非显而易见。
科学研究史上有许多发现是由偶然因素引起的，很多人忽略了，很可惜。
诺贝尔化学奖解读 “绿色荧光蛋白”让未知世界显影 青年参考 特约撰稿池晴佳
当地时间10月8日11时45分，诺贝尔自然科学奖最后一个奖项化学奖在瑞典皇家科学院揭晓。3位美国科学家——美国伍兹•霍尔海洋生物学研究所日裔科学家下村修、哥伦比亚大学神经生物学教授马丁•查尔菲、加州大学圣迭戈分校华裔生物学家钱永健，因为发现了在生物化学领域极为重要的“绿色荧光蛋白”而获此殊荣，3人将平分1000万瑞典克朗(约140万美元)的奖金。日本《读卖新闻》10月12日对该奖项进行了解读。
科学家接力研究发光生物
绿色荧光蛋白(greenfluorescentprotein，简称GFP)是一种能在蓝色波长光线激发下发出荧光的特殊蛋白质，正是这种神奇的性质，让它成为当今生物化学领域最有力的工具之一，被称为“生物北斗”。生物化学家们的研究对象常常是细胞、分子、基因等在显微镜下才会“现形”的物质。显微镜下的微观世界与我们看到的宏观世界极为不同，而GFP的作用是在微观与宏观间架起一座桥梁，让科学家通过观察发光效应推测出分子水平上的活动。这3位发现GFP的科学家最终获奖，也说明了这一成果的重要性。
生物发光分为两种，一种是由生物体内一种荧光酶作为催化剂参与发光反应，另一种是生物体内某种蛋白质本身能发光。前者早在上世纪初就已被研究得较为全面，而发光蛋白质的系统研究起源于上世纪50年代下村修所做的开创性工作。
1955年两位美国海洋生物学家达文波特与尼可，首次发现了水母可以发绿光，但他们无法解释原因，这一发现被下村修敏锐地捕捉到了。1961年，当时还在普林斯顿大学工作的下村修与同事们，在当地的星期五港附近收集了约一万只水母来研究，终于在一种叫做维多利亚水母的体内，分离纯化了水母中的发光蛋白——水母素。他们还发现了另外一种蛋白，它在阳光下呈绿色、钨丝下呈黄色、紫外光下呈强烈绿色。经过研究发现，这是钙离子在与水母素的交互作用中发生了能量交换，从而产生了发光效应(一种能量释放形式)。
1962年下村修与美国科学家弗兰克•约翰逊在美国细胞生物学权威期刊《细胞和比较生理学》上发表了相关论文，这是对蛋白质发光进行系统分析的最早论文。经过十几年的艰苦研究，1974年他们终于提取出了这种蛋白，这就是后来的“绿色荧光蛋白”。
下村修并未意识到GFP的重要应用价值，他离开普林斯顿大学到伍兹•霍尔海洋生物学研究所后，其同事道格拉斯•普瑞舍对GFP很感兴趣，1985年与1992年，普瑞舍分别提取出了水母素与GFP的DNA，在将其打造成“生物北斗”的过程中迈出了关键一步。
此后，科学家们开始了将GFP在生物体内表达的研究。1994年，哥伦比亚大学的马丁•查尔菲，用GFP使秀丽隐杆线虫(一种通身透明、身躯纤细的线虫)的6个单独细胞有了颜色，引起轰动，科学界广泛意识到GFP发光标记的重要意义，此后不断有生物学家将GFP在各种微生物内表达。而华裔科学家钱永健的主要贡献是，从分子生物学的角度解释了GFP的发光机理，并对GFP进行了定向改造，使其能发出除绿色之外其他颜色的光，目前世界上使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。
让“死物学”变成“生物学”
20世纪是生物学快速发展的100年，生物学先后出现了两次革命：一是生物化学奠基，其成果包括建立活体细胞代谢通道的基本原理、了解酶的功能、对蛋白质的结构解析达到原子水平等；二是传统基因学与核酸学结合，形成现代基因组学。借助大量先进的分析仪器，这门学科在近年取得了破译人类基因组图谱等成果。但生物化学和现代基因组学这两个生物学分支都面临一个重大难题——缺少跟踪活体细胞内部和外部分子实时变化的办法。绿色荧光蛋白的出现，恰好解决了这个难题。
化学反应中有一种被称做“同位素标记法”的分析方法，利用化学性质稳定、不参与反应过程的同位素(指一种元素具有相同核电荷但原子质量不同的原子)追踪化学反应。但这种方法在分子生物学等领域不太有效，因为分子生物学需要的不仅是化学反应，它对化学反应在细胞、组织间的具体传递过程等更感兴趣。GFP的发光反应正好填补了这一空缺，英国《苏格兰人报》在一篇报道中将GFP比作“分子侦探”。
钱永健的研究使得成为“侦探”的荧光蛋白，不再局限于绿色发光蛋白，他定向改造出多种不同的荧光蛋白，有的荧光更强，有的呈黄色、蓝色，有的可激活、变色，俄罗斯生物学家谢尔盖•卢克雅罗夫在珊瑚里发现了其他荧光蛋白(FP)，包括红色荧光蛋白。荧光蛋白的多样化使其应用范围更加广泛，如可以同时用多种不同荧光蛋白对细胞进行标记。
荧光蛋白技术使得人们可以研究某些分子的活性。对有些研究来说，荧光蛋白的作用可谓“起死回生”。原来有些研究方法，需要把生物变成死物才能了解一些现象和过程，而以荧光蛋白为主要支柱之一的现代生物成像技术，使科学家在活的细胞中观察和研究这些过程，能把一部分“死物学”变成“生物学”。
荧光蛋白在三大领域“发光”
目前，荧光蛋白在很多领域都发挥着重大作用，包括有毒物质检测、神经生物分析及转基因动物研究等。比如，可用荧光蛋白检测水井中是否含有砷(俗称砒霜)。砷中毒问题在东南亚地区较为严重，常使很多人集体中毒。研究人员已经研发出带有荧光蛋白的抗砷性细菌，只要水中含有砷，细菌就会发出荧光并被仪器检测到，提醒人们不要饮用。GFP还可用作检测TNT(一种烈性炸药)、重金属等。
荧光蛋白在神经生理学上的应用也很受人关注，在它的帮助下，研究人员能看到以前所不能见的新世界，包括大脑神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。
荧光蛋白的另一种重要应用就是转基因动物。近年来，美国、韩国、日本等国曾多次培养出“发光的动物”，我国也在去年12月首次培养出绿色荧光转基因猪。转基因动物是指，将一种动物基因在另一种动物体内表达的过程，在遗传研究、器官移植、特种改良等领域具有重大意义。荧光蛋白由于结构简单可作为“报告基因”(一种编码可被检测的蛋白质或酶的基因)，大大简化了转基因动物的培养过程。
来源：http://news.sina.com.cn/w/2008-10-19/113016482786.shtml