首页 > 文化 > 科技 > 正文

色彩的魔力

2009-07-23 09:08 作者:曹玲 2009年第24期
钱永健于去年获得诺贝尔化学奖,得奖原因是因为他发展了一种被誉为“照亮了生物学研究的未来”的绿色荧光蛋白。今年5月,他所在的实验室在《科学》杂志发表论文称,又发展了一种新的穿透能力更强的红外荧光蛋白。

荧光蛋白质

生命的每一部分都是美丽的,只要你找到了诠释它的完美方式。

看穿生命

从某种角度而言,生物学其实是“死物学”,科学家如果想做点什么研究,就要先从生物体上取些标本下来,在这过程中有时候会导致生物体死亡。“如果能直接观察到活的生物体体内发生的情况,比如肿瘤是如何缩小以及缩小了多少,就能够直接比较各种药物对肿瘤的治疗效果以及动物存活的质量。”舒校坤告诉本刊记者,他是美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校钱永健(Roger Tsien)实验室的研究人员。

钱永健于去年获得诺贝尔化学奖,得奖原因是因为他发展了一种被誉为“照亮了生物学研究的未来”的绿色荧光蛋白。今年5月,他所在的实验室在《科学》杂志发表论文称,又发展了一种新的穿透能力更强的红外荧光蛋白。

“所谓荧光就是说一些物质在受到某种光线和射线的照射时,会发出一种可见光,这种光就叫做荧光,而荧光蛋白就是在特殊光线照射下发出荧光的蛋白质。”舒校坤告诉本刊记者。其中最早发现并且应用最广的是绿色荧光蛋白,它能从阳光中吸收紫外光,然后以较低能量的绿光形式发射出来。这种荧光蛋白成了实验室里不可或缺的工具,科学家将其转入生物体内,比如病毒、酵母、小鼠、植物等,让它们前所未有地在“活着”的状态下被涂上颜色:艾滋病病毒被镶了荧光,研究人员能在显微镜下观察到它们如何进入细胞、躲在哪个角落、在细胞中怎样活动等前所未见的过程。细胞中的蛋白成千上万,不仅长相相似,而且都是“隐身”的,科学家将绿色荧光蛋白连在他们钟情的蛋白上,就像在蛋白后拖了一盏小灯泡。这些小灯泡在黑暗的细胞中熠熠发光,告诉科学家细胞内的活动。

但是这一切远远不能让科学家满意。

东北农业大学生命科学院曾经培育出绿色荧光小猪,参与研究的研究人员尹智告诉本刊记者:“这些小猪在阳光下和普通猪没有什么两样,但是如果下午阳光强烈的话,肉眼便能看到它的蹄子泛着黄色的荧光。在紫外线灯的照射下,肉眼能看到小猪的蹄子、鼻子和舌头发出绿色的荧光。在荧光显微镜下观察,它们全身的细胞都会发出绿色荧光。”

为什么小猪身上不是所有地方都发出荧光?尹智说:“猪本身皮毛较厚,发光不明显,而口鼻处无毛,容易看见荧光,至于蹄子本身就是角质蛋白,也能够直接看到荧光。”而实际上,荧光蛋白会遍布小猪全身。他们曾将一只小猪解剖,发现血液以及内脏组织都能发出荧光。

“绿色荧光蛋白等现有的荧光蛋白需要被可见光谱中蓝色至橙色的光激活,这个波长的光能够很好地透过组织,所以主要被用于试管研究来观看细胞分裂或者标记特殊的细胞类型。但是这些蛋白有它的局限性,它们的穿透能力仍然不够,会被体内的液体或脑组织吸收,被骨骼分解。假设你用绿色荧光蛋白标定一个动物体内的肿瘤,你就几乎不能在外面观察到绿色荧光性。而波长越长,穿透能力越强,我们新研发的红外荧光蛋白甚至能够穿透骨骼。”舒校坤告诉本刊记者,“如果用红外荧光蛋白标记体内的肿瘤,就能得到一个强大的信号,从外面观察到它。”

为了获取红外荧光蛋白,钱永健所在的研究团队从一种叫做抗辐射菌的细菌中得到红外荧光蛋白,这种细菌因其能生活在大剂量辐射下而为人所知。抗辐射菌体内的一种蛋白质能够吸收处于可见光谱远端的红外线,用来转换结构开启制造保护蛋白的基因。“它原本吸收红外线但是不发光,我们需要让它把红外线放射出来。所以我们改写了吸收红外线蛋白质的遗传编码,并且把它固定住,不让它动,因为一动热量就会被消耗掉,于是后来得到了能发微弱红外线的蛋白质。”舒校坤说。不过,这种发光强度的蛋白质还不足以照亮细胞内部,于是他们又对经过改良的光敏色素基因进行几轮的变异,选择了放光能力最强的一种蛋白质,发光能力是原始版本的4倍。

研究人员将这种新的荧光蛋白的基因插入一种能够感染动物肝脏的腺病毒,随后将病毒注射入小鼠的血管,荧光蛋白随之被输送到肝脏。5天后,他们发现小鼠的肝脏开始发出微弱的红外线荧光。“现在红外荧光蛋白就可以用于肝脏的研究了,我们的试验已经证实了这一点,但是否适用于其他器官现在还很难说,它在不同器官中表达的量不同,观察到的结果可能不同。”舒校坤说。

目前,绿色荧光蛋白能够放射出它吸收光线的80%,但是红外荧光蛋白只能放射出它吸收光线的7%。舒校坤告诉本刊记者:“每一种蛋白质都有它的光利用效率,新开发出来的红外荧光蛋白的光利用效率还不是特别高。但是从另外一个角度来看,同时就意味着它的潜力非常大。因为绿色荧光蛋白利用效率是80%,体内的一些组织仍旧看不见,而红外荧光蛋白的利用效率只有7%,体内组织就已经看得很清楚。如果有一天能将其效率提高,就能够观察得非常清楚。”

但是,新荧光蛋白质发射的许多红外线依然会被动物的组织所遮蔽。美国哈佛医学院以及贝斯以色列女执事医疗中心的荧光成像专家约翰·弗兰基尼(John Frangioni)认为,研究人员还需要寻找能够释放更长波长的红外线的荧光蛋白质。对此,钱永健认为完全可能,很多细菌和真菌都有能发出荧光的基因,遗传数据库已经包含了1500多种类似于光敏色素的细菌蛋白质。“我们把这些基因克隆出来,让它们也发荧光,这样就可以拿到在红外波段不同颜色的蛋白质,就像现有的荧光蛋白五颜六色一样,组建一个红外范围内的调色板。”舒校坤对此也很期待。

“脑虹”:具象之美

科学家的工作普通人常常难以理解,不管这些荧光蛋白在实验室有多么美妙神奇,外人还是看得一头雾水。为此,钱永健说,虽然使用他所发展的荧光蛋白所做文章,光论文就发表了成千上万篇,但只有其中哈佛大学的一项研究让他印象深刻,“这个研究非常漂亮,普通人也能感受到它的魅力”。

你可以直接欣赏这个漂亮的工作:神经元拖着长长的尾巴,像是彩虹溶化后滴落的水滴,赤橙黄绿青蓝紫,看得人眼花缭乱;各种颜色的“小蝌蚪”蜂拥而上,红色神经细胞和绿色神经细胞并行不悖,蓝色细胞和紫色细胞相互交叉……这种技术被形象地称为“脑虹”(brainbow,类似rainbow),科学家先用各种荧光蛋白标记不同的细胞,然后用荧光显微镜成像。当它于2007年被发明出来时,曾在科学界引起了一阵轰动。

以往,人类只能用两种颜色显示大脑细胞。1873年,意大利医生发明了“高尔基(Golgi)法”,这种方法需要将所有的神经元全部染色,但是只有少部分细胞能被染上色,至今这种方法仍在使用。而脑虹技术使得研究人员一次能够用超过90种不同的颜色标记数百种神经元,这种技术能成功,得益于一种被称为荧光蛋白的物质。荧光蛋白有很多种颜色,比如蓝色系列、青色系列、黄色系列和红粉系列。它们有一些很好听的名字,比如草莓、樱桃、甜瓜、香蕉、橙子和覆盆子等等,就像一个五颜六色的果园。

参与研究的细胞生物学家杰夫·里奇曼(Jeff Lichtman)告诉本刊记者:“这个原理类似电视机的三原色原理。电视显像管通过红、绿、蓝三原色的不同组合,制造出各种颜色,科学家利用神经元细胞内存在的三种以及三种以上的荧光蛋白相互重叠,生成多种色彩。和电视机三原色有所不同的是,脑虹的三原色为青色、红色和黄色,其中红色来源于珊瑚,青色和蓝色是从水母中的绿色色素加工而来。”

“如果你的电脑机箱里面有100根电线,而且每根电线的颜色都相同,那么你几乎不可能把每根电线都理清楚,但如果那些电线有100种不同的颜色,那么你要看清楚它们连向哪里、如何交叉就很简单了。”

研究人员通过脑虹技术观测小鼠的大脑神经系统,观察到了一些有趣的但不为人知的神经元细胞分布模式。使用这种技术,还能够帮助科学家在基因的图谱上,更快地建立大脑神经网络详尽图表,同时,也为人类认知并治愈疾病打开了一扇大门。通过脑虹成像,科学家开始研究孤独症、智力障碍、狂躁症、抑郁症以及学习障碍等可能和大脑的神经线问题相关的疾病。

“这只是荧光蛋白魅力的一部分,随着我们发展出更多种类的荧光蛋白,它们能做的事情还有更多。”舒校坤说。

阅读更多更全周刊内容请微信扫描二维码下载三联中读App,注册就有红包哦!

版权声明:凡注明“三联生活周刊”、“爱乐”或“原创”来源之作品(文字、图片、音频、视频),未经三联生活周刊或爱乐杂志授权,任何媒体和个人不得转载 、链接、转贴或以其它方式使用;已经本刊、本网书面授权的,在使用时必须注明“来源:三联生活周刊”或“来源:爱乐”。违反上述声明的,本刊、本网将追究其相关法律责任。

    相关文章

已有0人参与

网友评论

用户名: 快速登录

《立冬》现已上线即刻前往 App Store 搜索“三联生活节气”体验更多精彩。

《霜降》 《寒露》 《秋分》

微博@三联生活周刊
微信:lifeweek
扫描下载三联中读App
三联中读服务号