熒光蛋白的發光原理

生命的顏色

在海洋中，棲息著一類美麗而神奇的生物——水母。水母是一類古老的水生無脊椎軟體動物。多數水母擁有顏色絢麗的傘性身軀及自體發光的能力，可散發出點點淡藍色熒光，與搖曳的海水相映成輝，常引人無限遐想。沒有人知道水母發光的能力是如何進化而來的，這些美麗的海洋精靈遍布在世界各地的海洋中，如繁星般點綴著浩瀚的海底世界。千百萬年來，這些美麗的水母如光明的使者，出現在詩人、畫家和攝影師的作品中，為人類藝術史增添了一抹亮色。

▲Aequorea Victoria水母

直至20世紀中期，一位日本科學家下村修才注意到并著手研究了水母這一獨特的發光現象，并發現其熒光源自一種會發光的蛋白——水母蛋白，它可以發出藍色的熒光并將其傳遞給另一種綠色熒光蛋白，最終使水母產生綠色的熒光。隨后馬丁·查爾菲及錢永健兩位科學家對GFP加以改造和利用，并正式將其成功引入整個生命科學領域，引發了一場生命科學領域細胞及蛋白研究技術的巨大革命。至今為止，利用改造后的熒光蛋白標記活體細胞的方法已在世界各實驗室得到廣泛推廣，而下村修、馬丁·查爾菲及錢永健三人也因為他們做出的巨大貢獻共同獲得了2008年諾貝爾化學獎。下面，我們將逐步介紹水母素、綠色熒光蛋白與人類科學共同發展的輝煌歷史。

▲2008年，瑞典皇家科學院將當年諾貝爾化學獎分別授予日本科學家下村修（左一）、美國科學家馬丁·查爾菲（中）和美籍華裔科學家錢永健（左三）

水母蛋白的發現故事

下村修是最早研究這種水母發光現象的科學家之一。20世紀50年代，他所在的伍茲霍爾海洋生物實驗室正致力于研究生物的發光現象。1955—1961年間，下修村已經對水螢火蟲（Cypridina）體內的發光機制進行了深入研究，并發現這種小生物的發光需借助于其體內一種奇特的蛋白，并將其命名為熒光素酶。遺憾的是，下修村發現僅靠熒光素酶自身并不足以發光——很多年以后人們才發現熒光素酶本身沒有發光能力，但其可以催化一種叫做熒光素的小分子化合物并使其發光——但這項研究令他意識到很多海洋生物的發光能力可能依賴于其體內產生的某種發光蛋白。因此，他轉而研究更多的海洋生物，以尋找其他具有發光能力的蛋白。

后來，在其導師約翰森的建議之下，他最終決定將工作重點放在研究一種名為Aequorea victoria的水母身上。為此他和約翰森多次驅車到達華盛頓大學的星期五港實驗室打撈大量水母，并將它們分批帶回位于馬薩諸塞州的實驗室進行蛋白提取實驗。先前關于熒光素酶的研究為下村修提供了大量研究經驗，他很快發現在水母傘性區域的邊緣聚集有大量能夠發光的發光細胞，并從中分離出了一種可以發光的蛋白，并將其稱作“水母蛋白”。該研究刊登在1962年《細胞和比較生理學雜志》上。

據稱有一天，下村修又提取了一份不能發光“失敗”的蛋白樣品，下班前隨手將其倒入水池中，并關好實驗室的燈準備回家。臨走前他例行環視了實驗室一周后準備鎖門，下一刻他驚奇地發現水池中竟散發著藍色的熒光！他立刻斷定可能是水池中的某種成分激活了水母蛋白的發光能力。在此后的幾天，他對水池中可能存在的所有離子及化學組分進行了逐一篩查，并最終發現鈣離子可以激活水母蛋白發光能力。