马尔 特·加瑟（Malte Gather）和尹贤锡（Seok Hyun Yun）目前供职于麻省总医院。两人表示，进行这项研究的部分原因是科学上的好奇。他们注意到，以前的科学家都盘算着用没有生命的材料制造激光，而且自然界里似乎从未产生过激光：“我们想知道这是为什么？我们想知道，有没有可能制造出完全基于生物的激光？”一试之下还真的成功了。他们的结果不久前发表在了《自然·光子学》的网络版上。
想法新颖，步骤简单
“激光”的原理是“受激辐射”理论。该理论认为，原子周围的电子分布在不同的能级上，高能级上的电子在受到某种光子的激发后会跃迁到低能级，同时向外发射出光子，而且发射光比入射光的强度更大。这种“弱光激发强光”的现象就叫做“激光”。激光是一种相干光，也就是说，只包含一种波长和频率的光子。
制造激光器需要两个部件：一是所谓的“增益介质”，它的作用就是吸收外部能量，使原子或分子处于“激励状态”并发射出光子；二是由一系列镜子构成的“谐振腔”。自人类发现激光以来，多数激光器都使用半导体、晶体或者气体作为增益介质。如果要制造生物激光，就必须找到一种能够吸收并放射出光线的有机物。加瑟和尹贤锡将目光瞄准了在生物研究中广泛应用的绿色莹光蛋白（GFP）。
20 世纪60 年代，日本生物学家下村修率先从一种莹光水母的体内提取出了绿色莹光蛋白以及制造这种蛋白的基因。从那以后，GFP就在生物学家中流行开来，他们将它植入要研究的生物体内，当作是看清其内部情况的“探照灯”。因为这个发现，下村修在2008年获得了诺贝尔生物学奖。后来随着基因技术的进步，科学家又发现了一个事实：无论是细菌还是高级哺乳动物，几乎任何有机体的细胞在进行基因重组之后，都能具备产生GFP的功能。
作为光源，GFP具有一个与众不同的特点：普通光源发出的光线总是包含不同波长、不同频率的光子微粒；而GFP 释放出的却是彼此完全相同的绿色光子微粒，也就是说，它能发出“纯”的光线，只要将这种光线汇成一束，就是现成的激光了。正是GFP的这个特性，让加瑟和尹贤锡决定从它下手进行实验。
他们的实验说来并不复杂：先用一个加强的GFP基因重组了一些人类胚胎肾细胞，使其能够产生GFP。接着，他们将这些细胞放入一个长一英寸的圆柱形容器内，并在容器两端放置了两面相距 20 微米的镜子，构成了一个谐振腔。然后，他们就向容器内发射了一束蓝色的光脉冲。容器中的细胞不断吸收着来自外部的光线，几分钟后，它就开始发出了绿光。这道绿光经过容器两头镜子的增强、形成相干光。就这样，世界上的第一束生物激光产生了。
尹贤锡表示，和传统的激光相比，这束细胞产生的激光十分微弱，但是已经比水母在自然条件下发出的莹光强了好几个数量级。
随着观察的深入，两位研究者发现这些细胞有着传统的增益介质所无法比拟的优势：传统介质在产生激光的过程中难免产生损耗，然而，这些细胞却在使用过程中不断地产生GFP，也就是说，这是一种能够自我修复的激光器。
性质独特，前景广阔
两位研究者承认，由细胞产生的激光强度太低，不可能取代工业激光切割钢板，但他们同时指出，这种“活体激光”在未来的医疗领域中有机会大展身手。比如，有些疗法（如光动力学治疗）需要依靠外部激光来让患者服下的药物发挥药性，有了活体激光之后，细胞就能在患者体内发射激光，从而更精确地激发药性、提高疗效。
除此之外，生物激光还具有成像的功能。加瑟告诉我们，由细胞产生的激光会投射出复杂的图案，而不是像激光笔那样的一个圆形光点。而且，那些图案似乎还反映了细胞内部的形态和结构、携带着细胞本身的信息。假以时日，这个特性或许就能用来研发出一套精确的成像技术，生物学家要研究某些细胞，只需将它们“激光化”即可。
已经有不少专家对这项研究表示了赞赏，认为它富于趣味，也富于创意。加州大学的生物医学工程师迈克尔·伯恩斯（Michael Berns）就说：“我研究细胞和激光都超过40 年了，从来没想到还能这么干。”但是他也表示，新技术可能只适合研究单个细胞，投入医疗尚不可行。
加瑟和尹贤锡却似乎信心十足，他们的下一步计划是在这些细胞中植入微小的镜子，将单个细胞改造成完整的谐振腔。如果可能的话，他们还打算进一步改造细胞的基因，使其本身就能发出蓝光，再转化成绿色激光，届时，单个细胞就变成一台完整的激光器了。有人甚至认为，活体激光还能用来在生物体内实现光学通信和计算，从而取代一部分电子元件的功能。如果这些前景都能一一实现，那么人类就将步入生物激光的崭新时代了。
作者：
2011-7-3