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【基因智慧】成就三位诺奖得主 发光蛋白如何在科研中大放异彩?

来源:光明网2020-08-27 18:05

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  在我们的地球上生活着千姿百态、形形色色的生命,其中发光生物无疑是惊鸿一瞥。发光生物几乎遍布全球,有超过700个属,这其中又有80 %源于海洋。大家也许还记电影《少年派的奇幻漂流》中,漆黑的夜晚,“派”独自漂浮在平静的海面上,绿色水母点缀着波光引人无限遐想。

  然而,水母是如何进化出发光能力的呢?这在很长一段时间都是个谜。直至20世纪中期,在众多科学家的努力下,水母的发光之谜被逐渐揭开。科学家首先在萤火虫体内提取出一种奇特的蛋白——荧光素蛋白。其后,日本科学家下村修决定研究一种名为Aequoreavictoria的水母,下村修等发现在水母的伞状体边缘聚集有大量能够发光的细胞,这些细胞中可以分离到一种可以发光的蛋白,随后被称作“水母蛋白”。

【基因智慧】成就三位诺奖得主 发光蛋白如何在科研中大放异彩?

Aequorea Victoria水母

  下村修发现“水母蛋白”对钙离子非常敏感,能特异结合游离的钙离子,并催化其底物发生氧化反应而发出蓝光,因此可以作为细胞内钙离子的荧光指示剂,在细胞功能研究中得到广泛的应用。人类从此开始了大名鼎鼎的水母发光蛋白aequorin研究之旅。有意思的是,纯化后的aequorin发出蓝色光,但水母在自然条件下发出的却是绿色荧光。科学界推测,水母中一定存在着另外一种绿色荧光蛋白,这种绿色荧光蛋白可以将aequorin发出的蓝光进行过滤,从而使水母发出绿光。这个推测中的绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein, GFP)在随后的研究中被成功分离获得。研究发现,绿色荧光蛋白在水母中之所以能发光,是因为水母发光蛋白aequorin在钙刺激下发生氧化反应,其产生的能量可转移到绿色荧光蛋白,刺激其发出绿色荧光。这是物理化学领域已知的荧光共振能量转移现象在生物体中的首次发现。

【基因智慧】成就三位诺奖得主 发光蛋白如何在科研中大放异彩?

种类繁多的荧光蛋白

  马丁-查尔菲将绿色荧光蛋白作为发光标签应用于科学研究,开创了绿色荧光蛋白的应用先河。马丁-查尔菲首次在大肠杆菌细胞成功表达了绿色荧光蛋白,证明绿色荧光蛋白不需要其他辅助蛋白和试剂,自身就可以产生荧光。这意味着绿色荧光蛋白可以作为通用标签来标记其他蛋白质,从而方便人们观察和示踪其他蛋白表达的时间和空间变化,还可以用于研究蛋白质间的相互作用情况。

  然而,天然的绿色荧光蛋白却并不完美。华裔科学家钱永健巧夺天工将天然荧光蛋白这块璞玉变成科学研究的无价之宝。通过改造荧光蛋白基因的序列,可以生成含有不同氨基酸序列的蛋白质,含有不同氨基酸序列的荧光蛋白会发出不同颜色、不同亮度及强度的荧光,极大的丰富了荧光蛋白的种类,更适合在活体生物上进行研究。目前的荧光蛋白包括了红色荧光蛋白、蓝色荧光蛋白、青色荧光蛋白和黄色荧光蛋白等,因为有水果般缤纷多彩的颜色,被人们形象地称之为水果荧光蛋白。

【基因智慧】成就三位诺奖得主 发光蛋白如何在科研中大放异彩?

对荧光蛋白有深入研究的三位诺贝尔奖得主

  荧光蛋白可在活体细胞、组织和生物体内进行动态、直观的微量化检测,已成为21世纪应用最广泛、最灵敏的技术。毫无疑问,这个技术也奠定了现代成像和分子成像技术的基础,在随后的研究中深入到各个学科中,极大地推动了全世界医学和生命科学的发展。漫无边际的科学海洋中,荧光标记就像是一盏信号灯,为寻找生命奥秘的科学家们指引“航行”的方向。

  监制:林敏 战钊

  策划:王友华 薛爱红

  导演:金赫

  文稿撰写:王友华 金赫

  审校:刘兴健

[ 责编:赵宇豪 ]
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