ldquo点亮了生物学rdquo

?钱永健。来源：hhmi

编者按：

荧光蛋白标记神经细胞是研究大脑的一项重要的工具，带动了脑彩虹等技术的发展。刚刚去世的华裔科学家钱永健则为改造绿色荧光蛋白做出了重要的工作，改变了荧光蛋白分子的一个氨基酸，使其发光更强、更稳定。

美国乔治城大学吴建永教授曾在年介绍脑彩虹技术时着重介绍了荧光蛋白的故事。为纪念钱永健博士对科学的卓越贡献，吴建永重新作了较大修订后由《知识分子》转载刊发。

“他做出了很多成就，将被世人所铭记。”钱永健夫人Wendy如是说。

撰文

吴建永（美国乔治城大学医学院神经科学系教授）

●　●　●

钱永健教授突然辞世，消息瞬间刷屏。钱的主要贡献是“点亮了生物学”。他获得诺贝尔奖的工作是开发荧光蛋白，但业内人认为他还有更重要，更值得获奖的贡献。但这没有关系，诺贝尔奖也是外行夸奖内行。爱因斯坦不也没有因为相对论获奖吗？下面讲几个小故事，帮大家捋顺一下怎样“点亮了”生物学，点亮为什么重要。

所谓“点亮了”生物学，就是让少数细胞在数亿细胞组成的系统中里亮起来，或者某些分子在细胞亿万个分子中亮起来。亮起来就能看见，从而结束了生物学家的“瞎摸”时代。

举个例子，数以亿计的神经细胞默默地在神经系统的各个部门工作。神经细胞紧紧地挤在一起，像森林里的大树那样枝叉互相交织缠绕。在枝杈顶端，不同的神经细胞相互接触并传递信息。脑子能想事情，关键就靠神经细胞之间错综交织的联系。在大脑皮层里，每个神经细胞大约要把信息送给几千个其他细胞，同时每个细胞也要接受并处理从几千个神经细胞来的信息。可是神经细胞之间的相互联确是很难看清楚的，就像在飞机上用望远镜看森林，虽然可以看见树，但是当树枝交叉在一起的时候，就只能看见一片葱绿，而分不清哪枝来自哪棵树。因此在普通显微镜下脑组织看起来就像肉冻，分不清单个的神经细胞，只能模模糊糊地看到一些由于神经细胞整齐排列形成的层状结构。如果一个或一类细胞亮了起来，就可以大大帮助脑的研究。

钱教授的主要贡献就是：

1.开发了一种方法，让正在活动的神经细胞亮起来（钙成像）；

2.开发了荧光蛋白，让实验者可以按需要把让不同的神经细胞按其特征发光（图一）。

?图一用脑彩虹技术拍摄的神经细胞。图中彩色圆圈是神经细胞胞体，胞体连接的树枝状结构是细胞的突触。由于每个细胞都有一个独特的颜色，可以利用图像处理技术把相互交叉的突触看清。来源：wired.co.uk

那么怎样让蛋白或其他生物大分子出现彩色的荧光呢？这是一个深刻的问题。用荧光蛋白标记神经细胞是研究大脑的一项重要的工具。因此在最近二十多年以来开发不同颜色的荧光蛋白，并提高荧光的亮度就成了神经科学研究中的一个重要研究领域。

先简单讲讲荧光的原理：我们知道原子周围环绕着电子云。电子云携带的能量随其形状不同而变化。电子云可以和光子相互作用，吸收一个光子而变成带有更高能量的形状，也可以高能量形状通过放出一个光子而变成低能量的形状。这种与光子交换产生电子云形状变化的术语叫作“能级跃迁”。一般当电子云吸收一个短波长的光子后会向高能量级跃迁，然后再变回基态给出一个长波长的光子。所谓荧光就是原子云吸收一个短波长光子（紫外光）之后再给出一个长波长光子（蓝黄红等可见光）的过程。让神经细胞产生不同颜色的荧光牵涉两个关键问题，一是怎样让大分子产生不同颜色，二是怎样让基因携带这种大分子。

在发现荧光蛋白之前虽然人们已经知道许多无机矿物和有机染料可以产生荧光，但是这些物质都不能被基因携带进大脑到发育过程。这是因为基因只能携带并让细胞表达蛋白质类的生物大分子。能产生荧光的蛋白在开始时并不是人可以设计出来的，因为蛋白质的分子是由一串氨基酸构成，氨基酸链扭转折叠形成复杂的三维结构，在能与光子作用的“生色基团”附近如果有其他的分子，会在很大程度上影响荧光的亮度和颜色。所以，在荧光蛋白研究领域里的第一推动来自于自然界的一个荧光蛋白。这第一个蛋白由日本科学家下村修（OsamuShimomura）发现。

年，下村修在作硕士论文的时候发现水母中的一种蛋白在碰到水的时候会发出绿色的荧光。随后下村修继续此项研究并在年代（他在普林斯顿大学做博士后）纯化了水母中的绿色荧光蛋白（图二）。

?图二从年代开始，下村(上图后面站立的小伙子)在他的家人和朋友帮助下在太平洋沿岸采集可以在黑暗中发光的水母(中图)，来源：诺奖网站、ecoxotic.

转载请注明：http://www.abuoumao.com/hyfw/126.html