10月21日,日本媒体报道2008年诺贝尔化学奖得主下村修(Osamu Shimomura)于19日在家中去世。日本有机化学家下村修因为发现和研究绿色荧光蛋白(GFP)而获诺奖。GFP现在被科研人员作为荧光标记用来观察活细胞,已成为生命科学领域重要的研究工具。
那么,这个神奇的绿色荧光蛋白到底是什么呢?上图中的景象不是黑夜中的奇幻梦境,也不是艺术家的创作,而是神经细胞交织成的网络,这些细胞来自一只小鼠脑中的海马区域。平时我们所见到的大脑标本都是灰白暗淡的颜色,而这种名叫“Brainbow”的技术则显得格外惊艳,神经细胞们个个分明,闪耀着五彩光芒。
大脑是如何变成彩虹的?这就是荧光蛋白的功劳。绿色荧光蛋白:色彩的开端。这些美丽的颜色都是荧光,当分子吸收能量达到激发态后,它们会在较短时间内再回到比较稳定的基态,并且通过发光的方式重新释放出能量,这个过程中产生的就是荧光。
在一般的细胞中,原本没有那么多能发出各色荧光的物质,让它们发光,靠的是人为引入的荧光标记。而在这些荧光标记中,绿色荧光蛋白就是最为经典的一个。绿色荧光蛋白是来自海洋的馈赠,它来自一种发光水母。在上世纪60年代,日本科学家下村修(Osamu Shimomura,下村脩)和美国科学家约翰森(Frank H. Johnson)首先揭开了水母发光的秘密。
不只绿色,还有更多的色彩。在发现之初,生物学家们就意识到了这种发光蛋白的价值,如果能在其他的细胞、生物组织中引入这样的蛋白质,那么在显微镜下,我们所看到的画面也就能变得更加清晰而且多彩了。上世纪80年代,普鲁切(Douglas Prasher)成功地克隆出了水母中编码绿色荧光蛋白的基因,这使得荧光蛋白标记的大量应用成为了可能。
有了荧光调色盘上的种种色彩之后,科学家们又是如何把神经细胞变成绚丽的彩虹的呢?这还需要基因编辑和重组技术来帮忙。如果将不同荧光蛋白对应的基因片段转入细胞,让它们与目标蛋白共同表达,就可以对细胞以及细胞中的特定结构进行标记。
如此大费周章地用荧光蛋白为细胞调色,它到底有什么用呢?这种技术最大的作用,还是将某些需要研究的细胞与错综复杂的背景区分开来。通过对不同色彩的分析,可以计数细胞,也可以追踪细胞的走向,观察神经网络的连接布局以及细胞之间的相互作用。当然,让大众领略神经科学之美,也不失为“神经彩虹”重要的宣传作用。