下村修與他的發(fā)光水母

曉　小

今年獲得諾貝爾化學(xué)獎的居然不是化學(xué)研究者，而是三位生物學(xué)教授，而諾貝爾委員會對這次獎項的評價為“一門學(xué)科的發(fā)現(xiàn)在另一門學(xué)科中發(fā)揚光大的又一例證”。獲獎的三人中，資歷最老的日籍海洋生物學(xué)家下村修是綠色熒光蛋白的第一個發(fā)現(xiàn)者，但他謙遜地把這一成果歸之于一系列“幸運”。他說：“我一生一共抓了85萬只水母。從大量原材料中榨取一點點物質(zhì)，這可是最傳統(tǒng)的化學(xué)研究?！蹦堑降走@位“幸運”的生物學(xué)家與水母及化學(xué)研究有著怎樣的故事呢?聽我慢慢道來。

陰差陽錯學(xué)化學(xué)

下村修1929年出生在日本古都京都。第二次世界大戰(zhàn)后，下村修從長崎醫(yī)科大學(xué)畢業(yè)，想進入名古屋大學(xué)深造，于是前往名古屋大學(xué)拜訪一名教授。不巧的是，那位教授外出了。他偶遇科學(xué)家平田義正，平田的研究室當(dāng)時正研究有“海中螢火蟲”之稱的海洋熒光動物海螢。下村修最終進入平田研究室繼續(xù)學(xué)習(xí)。

回憶起那段往事時，下村修感慨，“那次的陰差陽錯決定了我的命運”。

1955年，平田交給下村修一項任務(wù)，讓他找出海螢被碾碎放在水里仍能發(fā)光的原因。當(dāng)時有多個美國研究小組涉足這一課題，都無一拿出結(jié)果。然而，幸運再度光顧下村修。第二年，他就從海螢體內(nèi)提取出一種蛋白質(zhì)，發(fā)光亮度比海螢本身強3.7萬倍。

因為這項發(fā)現(xiàn)，下村修不僅被名古屋大學(xué)破例授予博士學(xué)位，晉升助理教授，還引起美國普林斯頓大學(xué)學(xué)者弗蘭克·約翰遜的強烈興趣。1960年，在約翰遜的邀請下，下村修前往美國。

水母工廠

1960年，一位科學(xué)家將一小罐白色粉末交給初來美國的下村修，并告訴他這是從一些能發(fā)光的水母中取得的“精華干粉”。下村修立刻被這神秘的粉末吸引，第二年便和約翰遜來到了美國西北海岸，對當(dāng)?shù)氐囊环N水母展開了研究。這種水母在感覺到有威脅時，傘蓋邊緣會發(fā)出一圈綠光。

下村修所在的實驗室正好位于港灣。每天，柔軟的小水母都乘著早晚的潮汐成群結(jié)對地漂過他實驗室的兩側(cè)。其中一些會被下村修用小網(wǎng)兜截住，帶回實驗室。這些水母只有掌心大小，就像一把圓圓張開的小傘，在昏暗的水中發(fā)出幽幽綠光。發(fā)光的器官是一百多個小顆粒，就像點綴在小傘邊緣的微型“燈泡”。下村修將小傘邊緣剪下來，用棉布攥出水母“精華”。只是離開了原來的環(huán)境，它們似乎不太樂意發(fā)光。

沒想到一次意外的操作居然出現(xiàn)了令人驚奇的結(jié)果。經(jīng)過多次試驗，下村修依然沒辦法讓“精華”發(fā)光，又一次試驗無果后，下村修有些沮喪地將“精華”倒進了洗手池，沒想到的是，“精華”居然發(fā)光了，殘留的海水竟讓它們瞬間恢復(fù)了光芒——原來水母“精華”發(fā)光的一個重要秘密是需要海水中的鈣離子來輔助。這個發(fā)現(xiàn)點燃了下村修繼續(xù)工作的希望，因為他知道會發(fā)光的物質(zhì)終于可以被毫發(fā)無傷地分離出來了。

將發(fā)光的蛋白從水母中分離出來并不是下村修的最終目的。他經(jīng)過計算得知，如果想繼續(xù)進行更深入的理化性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)研究，則需要在一個夏天抓2.5噸共50000個發(fā)光的小水母!下村修帶著自己的妻子、兒女和幾個幫手，整個夏天的早晚都拎著小桶在水邊抓水母。他曾在一篇文章中寫道：“五年過去了，當(dāng)我的兒女長到八歲的時候，已經(jīng)能抓得像成年人一樣快了!”

下村修沒有預(yù)料，發(fā)光水母他竟然持續(xù)抓了20年；他更沒想到的是，30年后，照亮水母的綠色熒光蛋白也照亮了其他生物的細胞。

無心插柳的發(fā)現(xiàn)

一天，下村修把這種發(fā)光物質(zhì)注入一個裝有海水的水槽時，驚異地發(fā)現(xiàn)，水中出現(xiàn)明亮的藍光，而不是預(yù)想中的綠光。

實際上，下村修從水母體內(nèi)提取的是一種藍色熒光蛋白。這就產(chǎn)生了一個疑問，水母如何產(chǎn)生綠色熒光?進一步研究顯示，水母身上有一種綠色熒光蛋白，這種熒光蛋白的發(fā)光機制迥異于其他發(fā)光生物，能“奪取”藍色熒光蛋白釋放的能量，從而把藍光變成綠光。

1962年，下村修從十萬只小水母中純化出5毫克發(fā)光蛋白。同時被分離出來的還有另一種“綠蛋白”，在紫外光的照耀下會發(fā)出綠色熒光。下村修和約翰遜發(fā)表論文，宣告發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白，這種蛋白能在紫外線照射下發(fā)光，顛覆了當(dāng)時認為蛋白必須有酵素等其他物質(zhì)相助才能發(fā)光的“常識”。這個蛋白后來被稱為“綠色熒光蛋白”——今日諾貝爾化學(xué)獎的主角終于在歷史上登臺亮相。

1979年，下村修闡明綠色熒光蛋白發(fā)光部分的化學(xué)構(gòu)造。有趣的是，下村修當(dāng)時認為這項發(fā)現(xiàn)沒多大實際應(yīng)用價值。他曾在接受日本共同社記者采訪時說，作為化學(xué)家，他1979年認為對綠色熒光蛋白的研究已告一段落，覺得這種蛋白能不可思議地釋放出美麗綠光，“沒啥用處”。

直到20世紀90年代，美國哥倫比亞大學(xué)教授馬丁·沙爾菲指出，綠色熒光蛋白的自身發(fā)光特性在生物示蹤方面有極高價值，加利福尼亞大學(xué)學(xué)者錢永健通過進一步改造綠色熒光蛋白，使這種自體發(fā)光蛋白最終成為“當(dāng)代生物科學(xué)研究中最重要的工具之一”。

之后的十幾年中，綠色熒光蛋白又被用到了病毒、酵母、小鼠、植物甚至人類等各種生物身上——它們前所未有地在生活的狀態(tài)下被涂上了顏色：癌細胞裝載了綠色熒光，就與周圍細胞區(qū)別開來，它們擴張領(lǐng)地的腳步一覽無余；小得難以追蹤的HIV病毒被鑲了熒光，它們?nèi)绾芜M入細胞、躲在細胞哪個角落、怎樣從細胞中冒出去的種種過程就都被暴露在世人眼前……

諾貝爾委員會成員在評論綠色熒光蛋白的功績時說，它“照亮了生物學(xué)研究的未來”，不僅如此，它也擴展了我們視野所及的范圍。

淡泊名利只求真

現(xiàn)年80歲的下村修得知自己獲得諾貝爾獎后說：“有傳言說是生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，我原以為得化學(xué)獎的可能性為零。我獲獎只是偶然的幸運?！?/p>

下村修說，每到一處新的地方，自己總能遇到名師，運氣實在太好；此外，先研究海螢，再研究水母，也是非常幸運，如果二者研究順序倒過來，可能現(xiàn)在一無所獲。

問到成功的經(jīng)驗時，下村修說，作為一所地方大學(xué)的畢業(yè)生，在學(xué)校學(xué)到的東西并不多，只是一名業(yè)余研究愛好者，重要的是要自己學(xué)東西。

下村修少年時親身經(jīng)歷長崎原子彈爆炸和二戰(zhàn)結(jié)束前后的混亂時局。這一體驗讓他對生命有另一番感受。他在獲獎后舉行的新聞發(fā)布會上說，經(jīng)歷過苦難的人，不會輕易產(chǎn)生畏難情緒。他寄語后進說，年輕人遇到困難時容易產(chǎn)生畏難情緒，但是，一旦發(fā)現(xiàn)自己感興趣的課題，應(yīng)該排除萬難，奮力攀登。

下村修現(xiàn)在是伍茲霍爾海洋生物實驗所和波士頓大學(xué)名譽教授，與家人居住在馬薩諸塞州。退休后，下村修把實驗工具搬到家中，繼續(xù)研究其他發(fā)光材料。

(責(zé)任編輯：陽曉婷)