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解读诺贝尔化学奖 美妙荧光“复活”生物学实验

来源:新华社
摘要:早在几天前,不少权威机构的预测就已看好GFP(绿色荧光蛋白)这种美丽的标记物,当然,还有国人关心的华裔科学家钱永健。萤火虫发荧光,是由荧光酶催化一种名为“分子荧光素”的底物后产生的荧光。北京大学终身讲席教授、北京大学生命科学院院长饶毅近日在一篇题为《美妙的生物荧光分子与好奇的生物化学家》中,详细介绍......

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        昨天揭晓的诺贝尔化学奖几乎“毫无悬念”。早在几天前,不少权威机构的预测就已看好GFP(绿色荧光蛋白)这种美丽的标记物,当然,还有国人关心的华裔科学家钱永健。

        

        因此,当瑞典皇家科学院将上述预测宣布为现实的时候,这条消息立刻成为一则极富“卖点”的新闻。然而,在我们为第8位获得诺奖的华裔科学家兴奋叫好的同时,下村修等科学家的“不知名”也许更值得回味。

        

不同于萤火虫发光

        

        说起生物体发光,人们第一个想到的当属萤火虫。萤火虫发荧光,是由荧光酶催化一种名为“分子荧光素”的底物后产生的荧光;而发现蛋白质本身发光,无需底物帮忙,则起源于美国科学家下村修和其导师约翰森的研究。

        

        北京大学终身讲席教授、北京大学生命科学院院长饶毅近日在一篇题为《美妙的生物荧光分子与好奇的生物化学家》中,详细介绍了GFP诞生的前前后后。1955年,达文波特和尼科尔发现水母可以发绿光,但不知其因。1962年,下村修和约翰森在《细胞和比较生理学杂志》上发表论文说,他们分离纯化了水母中的发光蛋白“水母素”。文中,下村修等人留有一个注脚,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。1974年,下修村等人得到了这个蛋白,当时被称为绿色蛋白,后称为GFP。

        

        遗憾的是,下村修并未意识到GFP的广阔应用前景,并于1980年离开了普林斯顿的约翰森实验室。1994年,美国哥伦比亚大学教授马丁·查尔菲在GFP的帮助下,用不同颜色标识了一种透明蛔虫——秀丽隐杆线虫的6种单个细胞,首次证实GFP作为发光遗传标记物用于生物学研究的价值。查尔菲发表在《科学》杂志的文章立即引起轰动,许多生物学研究者纷纷将GFP引入自己的研究对象。当时,发表于《自然》、《科学》的多篇论文证明,生物体内,哪里表达GFP,哪里就有绿光。

        

        1994年,钱永健开始改造GFP,并有多项发现。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,有的荧光更强,有的呈黄色、蓝色,有的可激活、可变色。总之,是他令GFP家族变得绚丽多彩。

        

几乎每个实验室都在用它

        

        GFP究竟有多重要?昨天记者一连请教了好几位生命科学领域的专家,得到的回答都是“几乎每个实验室都在用它”。

        

        中科院院士、国家人类基因组南方研究中心执行主任赵国屏说,近10多年来,GFP的应用十分普遍。只要是做细胞的基因表达、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。

        

        据了解,这类“报告基因”的最大好处在于颜色多变,可同时标记多种活体追踪物,这对于动态观察不同分子在同一时间的相互作用和关系非常重要。赵国屏告诉记者,在众多应用GFP的生物学实验中,做得最漂亮的当属“脑虹”实验,即对三种不同颜色的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。

        

        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GFP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”。

        

多数人不知发明者是谁

        

        围绕GFP,三位获奖者的关系犹如一场接力跑:下村修发现了GFP,查尔菲确定了它的应用价值,而钱永健则让GFP变得多样化。客观地说,下村修的发现是后人向上攀登的“肩膀”。遗憾的是,科学界多半不知道他。至今,下村修也没当选哪里的院士,只是最近几年才开始得了些不知名的奖。

        

        下村修1928年生于京都,长于长崎。1945年在他16岁时,原子弹在其故乡爆炸,下村修曾失明数周。从33岁做出重要发现,到46岁完成全部关键实验,下村修和约翰森的研究遥遥领先,却一直默默无闻。在普林斯顿,他20年没有独立实验室,只是在别人领导下工作。到麻省伍兹霍尔海洋生物学研究所后,仍是很小的几人小组。2001年退休后,年逾八旬的下村修继续潜心于研究。他把家里的地下室作为“光蛋白实验室”。如今,80岁的他仍用家庭地址发表文章。

        

        令人钦佩的是,下村修的研究完全出于好奇。饶毅这样评价:“下村修做GFP研究时根本不知其重要性,只是对生物发光好奇。”最初,他和导师只为提取水母素,而GFP不过是个副产物。现在,这个副产物的用途比所谓的正产物还大。

        

        尽管GFP在生物学领域的应用已经到了“无所不在”的程度,但绝大多数人并不知道发现者是下村修。饶毅所做的一项数据统计足以证明人们的“健忘”:下村修和约翰森于1962年发现水母素的文章迄今被引用377次,1974年纯化GFP的文章被引用169次;而查尔菲1994年发表于《科学》的文章被引用高达3349次,“这说明,大多数科学工作者并不知道所用的东西怎么来的”。

        

钱永健:非常肯定下村修

        

        国内读者关注钱永健,一是因为其华裔身份,二是基于他与我国著名科学家钱学森的亲戚关系。作为钱学森的堂侄儿,钱永健与哥哥钱永佑于上世纪90年代就双双成为美国科学院院士。

        

        钱永健的工作,从上世纪80年代一开始就引人瞩目。饶毅介绍说,他可能是世界上被邀请作学术报告最多的科学家,因为化学和生物界都爱听他的报告。因此,不少人很早就认为钱永健会得诺贝尔奖。值得指出,钱永健非常肯定前辈下村修的工作,并较早公开介绍下村修的发现。

        

        在美国,钱永健究竟有多“牛”?饶毅讲了一个故事:“我在华盛顿大学有位同事,在神经生物学和现代成像都有重要发现和发明,他要求很高,批判性很强,公开发表文章批热门的领域、批很多人的研究不解决问题。就是这样一位批判性很强的人,却非常佩服钱永健。”

        

        本报记者    任荃    赵涛    实习生    曹越

        

■相关链接    多彩的GFP家族

        

        GFP及其衍生物(各种荧光蛋白)绚丽多彩,非常漂亮。当浓度足够高时,人们在日光下即可看到某些荧光蛋白的颜色。一些实验室甚至“生产”出了可人为控制颜色的鱼、老鼠等。

        

        GFP广泛应用于生物学研究。科学家可通过常规的基因操纵手段,将GFP用来标记其他目标蛋白,用以观察、跟踪目标蛋白的时空变化。它提供了以前不能达到的时间和空间分辨率,而且可以在活细胞、甚至活体动物中观察到一些分子。此外,GFP技术也使得人们可以研究某些分子的活性,而不仅仅是其存在与否。
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