綠色熒光蛋白的前世今生

☉鬼谷藏龍

綠色熒光蛋白讓水母發(fā)出綠光

故事還要從美國西北部的海岸說起，每年夏天，這里就會(huì)出現(xiàn)許多水晶水母。當(dāng)這些水母受到驚嚇的時(shí)候，它們就會(huì)發(fā)出一圈淡淡的綠色熒光。

這些迷人的水母引起了一位科學(xué)家的注意，他叫下村修。

水母為什么會(huì)發(fā)光呢？

從20 世紀(jì)60 年代開始，下村修每年夏天都會(huì)驅(qū)車跨越整個(gè)美國來此撈水晶水母。

經(jīng)過多年努力，下村修終于從幾萬只水母體內(nèi)提煉出了幾種關(guān)鍵的發(fā)光蛋白，其中一種叫作“綠色熒光蛋白”，正是這種蛋白質(zhì)讓水母發(fā)出了幽幽的綠光。

他發(fā)現(xiàn)這是一種在生物中罕見的可以獨(dú)立發(fā)光的蛋白質(zhì)，只可惜限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，下村修在將這種蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)研究透徹之后便只得將其束之高閣。那時(shí)的他還不知道，他所發(fā)現(xiàn)的這種蛋白質(zhì)將會(huì)在幾十年后帶來一場(chǎng)轟轟烈烈的生命科學(xué)革命。

但本文的主角并不是下村修，而是十多年后第一個(gè)站出來用綠色熒光蛋白敲擊新時(shí)代大門的道格拉斯·普瑞舍。

道格拉斯·普瑞舍

從20 世紀(jì)80 年代開始，基因工程逐漸在生命科學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角，而普瑞舍率先嗅到綠色熒光蛋白在這輪風(fēng)口中的強(qiáng)大潛能。他想到如果通過一些技術(shù)手段把綠色熒光蛋白“拴”在細(xì)胞內(nèi)的其他蛋白質(zhì)上，就相當(dāng)于給這些蛋白質(zhì)打上了“正道的光”，從此這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的一舉一動(dòng)都將無所遁形，而這將成為人類史上第一種可以精確觀測(cè)蛋白質(zhì)活動(dòng)的技術(shù)。

但是，普瑞舍性格內(nèi)向，不善言辭，申請(qǐng)科研經(jīng)費(fèi)時(shí)處處碰壁。

一直到1988 年，他好不容易從美國癌癥協(xié)會(huì)那里申請(qǐng)到20 萬美元的科研經(jīng)費(fèi)，這才得以放手一搏。

普瑞舍要實(shí)現(xiàn)用綠色熒光蛋白修飾其他蛋白質(zhì)的目標(biāo)，第一步就是找到編碼綠色熒光蛋白的基因。

在20 世紀(jì)80 年代，分子生物學(xué)尚處于萌芽階段，做相關(guān)實(shí)驗(yàn)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且花費(fèi)極大。

普瑞舍要尋找綠色熒光蛋白的基因，唯一的辦法就是向下村修學(xué)習(xí)——去美國西海岸拼命抓水母。

當(dāng)時(shí)的普瑞舍沒有終身教職，身邊并沒有多少學(xué)生助手，許多操作都得親力親為。即便如此，他還是在解剖了大量的水晶水母后，提取出了其中編碼綠色熒光蛋白的基因。

從事后諸葛亮的角度來看，他的工作意義重大，因?yàn)樵谀侵蟛痪?，美國西海岸的水晶水母不知為何?shù)量銳減。如果沒有他及時(shí)提取水母的熒光蛋白基因，人類或許會(huì)在之后很長時(shí)間里都和這一生命科學(xué)史上十分重要的工具失之交臂。

但是，到這一步，普瑞舍的體力和意志都已經(jīng)瀕臨極限。

沒有終身教職的他收入微薄，工作繁重，而且把綠色熒光蛋白“拴”在其他蛋白質(zhì)上的目標(biāo)又是那么遙不可及。

更棘手的是，他那20 萬美元的研究經(jīng)費(fèi)就快見底了。

最終在1991 年，普瑞舍那20 萬美元的科研經(jīng)費(fèi)徹底花光了，而他無論是申請(qǐng)更多經(jīng)費(fèi)還是申請(qǐng)終身教職均以失敗告終，不得不徹底放棄對(duì)綠色熒光蛋白的研究。

不過普瑞舍在放棄前，將他這些年的科研經(jīng)歷寫成一篇論文。雖然這篇論文被后人稱為“科學(xué)史上最悲壯的論文”，但他的工作早已成功引起了兩位大科學(xué)家的注意。

馬丁·查爾菲和錢永健先后致信普瑞舍，求借他所提取的綠色熒光蛋白基因。普瑞舍便將自己苦心提取的綠色熒光蛋白基因送給了他們。

后來，查爾菲實(shí)驗(yàn)室的一名研究生采用當(dāng)時(shí)新發(fā)明不久的PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)在兩年時(shí)間內(nèi)迅速完成了普瑞舍未竟的事業(yè)，成功把綠色熒光蛋白表達(dá)在線蟲體內(nèi)。

之所以我們今天能看到十分漂亮的細(xì)胞圖片，而且各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)能夠纖毫畢現(xiàn)，綠色熒光蛋白發(fā)揮了重要作用。

如果說查爾菲接力普瑞舍開啟了新的大門，那么錢永健則無疑是讓人們看清了這扇門的背后有著多么色彩斑斕的世界。錢永鍵的實(shí)驗(yàn)室更進(jìn)一步——通過一系列基因改造，將“綠色熒光蛋白”變成了“五顏六色的熒光蛋白”。

從此，熒光蛋白從一種顏色變成可以讓人隨心所欲調(diào)配的“調(diào)色盤”，理論上只要將多種不同色彩的熒光蛋白以不同比例互相混合，就能調(diào)出成千上萬種色彩。比如，在2007 年發(fā)明的一種叫作“彩虹腦”的技術(shù)，就借助這個(gè)思路，給腦中每一個(gè)神經(jīng)元都隨機(jī)染上不同的色彩，一舉讓腦中每一根神經(jīng)纖維都清晰可辨，加快了神經(jīng)科學(xué)研究的進(jìn)程。

2008 年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予下村修、查爾菲與錢永健3 位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诰G色熒光蛋白研究方面的貢獻(xiàn)。在記者招待會(huì)上，查爾菲與錢永健都對(duì)普瑞舍當(dāng)年的貢獻(xiàn)贊不絕口，若非當(dāng)年普瑞舍被迫中途放棄自己的研究，今天的獎(jiǎng)?wù)轮辽俚糜兴囊话?。甚至單單考慮他已完成的工作，他也是離諾貝爾獎(jiǎng)只有一線之隔的“第四大功臣”。然而在這獨(dú)屬于熒光蛋白的時(shí)刻，我們的普瑞舍，那個(gè)本該捧起諾貝爾獎(jiǎng)的偉大科學(xué)家卻在開班車。

2008 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者（從左至右)：下村修、馬丁·查爾菲、錢永健

原來，普瑞舍放棄對(duì)綠色熒光蛋白的研究后，十幾年里他幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，好不容易在政府部門謀了一份差使，結(jié)果橫生枝節(jié)，又成了無業(yè)游民。最后他不得不去車行打工，當(dāng)班車司機(jī)，靠著一小時(shí)8.5 美元的工資勉強(qiáng)為生。

好在當(dāng)錢永健聽說這樣一個(gè)大功臣居然淪落至此的時(shí)候，將其聘請(qǐng)到自己的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)從事科研工作。

在今天，科技已經(jīng)越來越成為一種系統(tǒng)工程，任何突破都是無數(shù)人為之努力的結(jié)果。他們中有功成名就者，就必有功虧一簣者，雖然成敗不過在一線之間，但這背后所付出的努力與智慧未必相差太遠(yuǎn)。因此，無論是屹立頂峰、熠熠生輝的群星，還是像普瑞舍這樣在黑暗中默默耕耘的無名英雄，他們同樣是在為人類的科技殿堂添磚加瓦，都值得我們敬仰與銘記。