红外荧光蛋白

撰文：比安卡·诺格拉迪（Bianca Nogrady）
翻译：冯志华

想象过用光来操纵动物吗？这不是科学幻想，在荧光蛋白领域的研究显示了这种可能性：通过红外光可调控基因甚至是动物行为。在这个研究发现之前，已经有三位科学家因在绿色荧光蛋白的发现和发展方面作出的贡献而携手获得了2008年诺贝尔化学奖。而目前的红外荧光蛋白比绿色荧光蛋白的穿透性更强，因而可以发挥更奇特的功用。

精神控制原本是催眠师的拿手好戏。不过荧光蛋白领域的研究发现，提供了这样一种可能：仅仅利用红外光，便可控制细胞的生理过程、基因的活性，甚至动物的行为。

荧光蛋白能够吸收光然后再释放光。如今，它已成为细胞生物学家手中的一件强大工具，其重要性从2008年诺贝尔化学奖中就可见一斑—美国哥伦比亚大学（Columbia University）的马丁·查尔菲（Martin Chalfie）、伍兹霍尔海洋生物学实验室（Marine Biological Laboratory in Woods Hole）的下村修（Osamu Shimomura）和加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）的钱永健（Roger Y. Tsien）三人，因为发现和发展了绿色荧光蛋白而携手获奖。尽管不可或缺，但这些蛋白因为波长的原因，在应用上仍存在局限性。它们需要用可见光谱中的蓝色至橙色波段的光加以激发，也就是说激发光的波长范围应在495～570纳米之间。这些光的波长过短，不能很好地深入组织内部，因而绿色荧光蛋白主要应用于体外的试管研究，用来观察细胞分裂或标记特定的细胞类型。

如今，钱永健和他在加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）的同事一道，把这一领域的研究向前推进了一大步。他们研发出一种新的荧光蛋白，在吸收远红外光后，可以发出波长在700纳米左右的近红外光。较长的波长可以使光穿透哺乳动物的组织，甚至骨骼。这样一来，科学家就可以在一只活蹦乱跳的动物体内，为细胞活动打上标签并使之可视化。这项研究的第一作者舒校坤（Xiaokun Shu）介绍道：“比方说你用绿色荧光蛋白标记一个肿瘤，如果这个被标记的肿瘤位于动物机体内部，你就很难观察到释放出来的绿色荧光。但如果用红外荧光蛋白来标记，由于红外光穿透组织的能力更强，你就会观察到更强烈的信号。”

钱永健小组从耐辐射奇球菌（ Deinococcus radiodurans ）中获得了红外荧光蛋白。这种细菌以它们在极端环境下顽强的生存能力而著称于世。实际上，这种细菌并不使用这类被称为细菌光敏色素（bacteriophytochrome）的蛋白来发光。舒校坤说：“它们利用这些色素蛋白来控制基因表达。”这些蛋白将吸收的光转换为能量，继而向特定的基因发出开启或关闭的信号。

摆在研究者面前的第一个挑战是重新改造这种蛋白，使之将吸收的光重新释放出来，而非用作一种能量来源。通过删除蛋白上负责将光能转换为化学能的区域，科学家成功地攻克了这一挑战。被截短的突变蛋白将吸收的光能以红外光的形式释放出来。研究者把经改造的细菌蛋白掺入哺乳动物细胞，比如活体小鼠的肝脏细胞，结果观察到了红外光的释放。

这项成果发表在2009年5月8日出版的《科学》（ Science ）杂志上，为动物机体内各种生化反应及内部组织的可视化成像铺平了道路。（不过该类蛋白应用于人体依旧不太可能，因为这种移植需要把细菌的一些基因导入人体，这会引发一些伦理问题。）

“这项发现非常重要，”澳大利亚悉尼加文研究所（Garvan Institute）的细胞生物学家戴维·詹姆斯（David James）评论说，“因为目前我们的许多知识都仅限于生长在玻璃培养皿中的单个细胞，这些知识对活体动物体内的细胞是否仍然适用，还有待查明。”红外荧光蛋白还解决了另一个问题：其他生物分子的自发荧光在波长上，往往与传统荧光蛋白标记相似，因此会产生许多“背景噪声”；红外荧光蛋白则不存在这一问题。

不过，这些细菌光敏色素的原始功能，也就是为基因表达调控提供能量的功能，还蕴藏着更加巨大的应用潜力。钱永健认为，再回过头来利用光敏色素的信号调控特性，应该是可行的。这样一来，我们就有可能用光来“启动生物的基因并调控其生化反应”。

譬如有一个特定基因控制部分大脑功能，而你想探索该基因的开启对小鼠的行为有何影响。对于小鼠而言，幸运的是进行这样的研究时，它将不必再忍受开颅之痛，也无须遭受针插入大脑之苦。钱永健推测说：“如果红外荧光蛋白经过改造，可以变回到红外光敏色素，你就拥有了一个现成的开关，只要有足够的红外光信号即可随时开启。”由于红外光可以穿透颅骨，因此它能直达光敏色素，远程开启基因，导致小鼠行为发生可以观察到的明显改变。

钱永健评论说，这将是荧光蛋白的下一个进化步骤。他相信光敏色素代表着一类拥有巨大潜能的蛋白。如果他的想法正确，那么在未来若干年内，越来越多的科学家将看到这种红外光的奇特功用。