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神奇的熒光蛋白打造五光十色的動物世界

來源:互聯網  2008-10-19 10:49:28  評論

據《每日科學》網站報道,瑞典皇家科學院把今年的諾貝爾化學獎授予了美國加州大學聖叠戈分校生物化學及化學系教授、美國國家科學院院士錢永健,美國哥倫比亞大學生物學教授馬丁·沙爾菲,日本有機化學家兼海洋生物學家下村修,以表彰三人作爲綠色熒光蛋白的發現者和推廣者,所取得的科學成就。

綠色熒光蛋白(GFP)(蛋白質編號1gfl),是從一種生活在北太平洋寒冷水域的水母體內發現的。這種水母體內含有一種生物發光蛋白質——aequorin,它本身發藍光。GFP能把這種光轉變成綠色,也就是當水母容光煥發的時候我們實際看到的顔色。GFP的純溶液在典型的室光下呈黃色,但是當被拿到戶外的陽光下時,它會發出鮮綠的顔色。這種蛋白質從陽光中吸收紫外光,然後以能量較低的綠光形式發射出來。綠色熒光蛋白質可以幫助科學家了解細胞如何工作,這種神奇的蛋白質是當代生物化學研究的最爲重要的工具之一。 利用綠色熒光蛋白,研究人員可以使用多種技術來跟蹤動物器官的工作機理。可以跟蹤癌細胞和大腦細胞的組織活動。這些都給人類帶來了不可估量的作用,爲人類解決醫學難題提供了寶貴的信息。因爲它能夠使我們直接看到細胞內部的運動情況。你只需要用紫外光去照射,這時所有的GFP都將發出鮮豔的綠色。比如,你可以把它連接到一種病毒上。然後,隨著病毒在宿主體內不斷擴散,你就可以通過跟蹤發出的綠光來觀察病毒的擴散途徑;或者你把它接合到一種蛋白質上並通過顯微鏡觀察它在細胞內部的移動。 因此康涅狄格學院化學家、《發光基因》作者馬克·齊默(Mark Zimmer)將綠色熒光蛋白質稱之爲「21世紀的顯微鏡」。科學家稱,在生物的器官中,有數以千萬記的不同種類的蛋白質。如果這些蛋白質一旦出現「故障」,那麽疾病就會隨之而來。所以,標明不同種類蛋白質的特殊功能,對于生物科學來說,是十分重要的。使用熒光蛋白,人們可以觀察蛋白質的運動過程,和活動情況以及被跟蹤的蛋白質之間的化學作用。

首先發現綠色熒光蛋白的是生于1928年的日本有機化學家兼海洋生物學家下村修。下村修現年80歲,出生于日本京都府,1960年獲得名古屋大學理學博士學位,曾先後在美國普林斯頓大學、波士頓大學和伍茲霍爾海洋生物實驗所工作。錢永健是綠色熒光蛋白發展曆程中最爲關鍵的的締造者,他在下村修與沙爾菲研究的基礎上進一步搞清楚了綠色熒光蛋白特性。他改造綠色熒光蛋白,通過改變其氨基酸排序,造出能吸收、發出不同顔色光的熒光蛋白,其中包括藍色、青色和黃色,並讓它們發光更久、更強烈。世界上目前使用的熒光蛋白大多是錢永健實驗室改造後的變種。錢永健1952年生于紐約,現爲美國加州大學聖叠戈分校生物化學及化學系教授、美國國家科學院院士、國家醫學院院士,2004年沃爾夫獎醫學獎得主。主要貢獻是利用水母發出綠光的化學物來追查實驗室內進行的生物反應,他被認爲是這方面的先驅。

在生物的活體器官中,有數以千萬記不同種類的蛋白質。這些蛋白質控制著器官中每一瞬間發生的任何化學反應。所以,標明不同種類蛋白質的特殊功能,對于生物科學來說,是十分重要的。雖然蛋白質本身發光,但是下村修和約翰森的研究表明,從水母中提取的發光蛋白質可以作爲一種激化制劑。1962年,下村修和約翰森等在《細胞和比較生理學雜志》上報道,他們分離純化了水母中發光蛋白水母素。1963年,他們在《科學》雜志報道鈣和水母素發光的關系。其後兩位來自美國的科學家發現鈣離子是生物體內的重要信號分子。于是,科研人員根據下村修和約翰森發現的水母素的原理,使得水母素成爲第一個有空間分辨能力的鈣檢測方法,這是目前仍用的方法之一。1955年達文波特和尼克爾發現水母可以發綠光,但不知其因。在1962年下村修和約翰森在那篇純化水母素的文章中,有個注腳,說還發現了另一種蛋白,它在陽光下呈綠色、鎢絲下呈黃色、紫外光下發強烈綠色。其後他們仔細研究了其發光特性。1974年,他們純化到了這個蛋白,當時稱綠色蛋白、以後稱綠色熒光蛋白GFP。Morin和Hastings提出水母素和GFP之間可以發生能量轉移。水母素在鈣刺激下發光,其能量可轉移到GFP,刺激GFP發光。這是物理化學中知道的熒光共振能量轉移(FRET在生物中的發現。1992年,普臘石拿到了GFP的基因,使得研究者的應用更加方便。

GFP是一種現成的熒光蛋白質,因此它特別容易使用。大多數可以處理光的蛋白質都利用外來的分子吸收和釋放光子。例如,我們的眼睛就是利用維生素來感光。不同的是,GFP控制光的部位是其自身的一部分,僅由氨基酸構建而成,該部位含有一段三個氨基酸組成的特殊序列:絲氨酸-酪氨酸-甘氨酸(有時絲氨酸會被相似的蘇氨酸取代)。當蛋白質鏈折疊時,這段短片段就被深埋在蛋白質內部,然後,發生一系列化學反應:甘氨酸與絲氨酸之間形成化學鍵,生成一個新的閉合環,隨後這個環會自動脫水。最終,經過大約一個小時的反應,周圍環境中的的氧氣攻擊酪氨酸的一個化學鍵,形成一個新的雙鍵並合成熒光發色團。由于GFP可以形成自己的發色團,它非常適合于基因工程。你根本不必擔心操作任何奇怪的發色團,你只需要利用遺傳學的方法操縱細胞合成GFP蛋白質,GFP就會自動折疊並開始發光。

目前,GFP的用途已經擴展到藝術和商務領域,藝術家通過把GFP插入兔子細胞內創造出了一只熒光的綠色兔子。育種工作者正在探索利用GFP來創造特殊的熒光植物和各種魚類,GFP已經被移植到大鼠、老鼠、青蛙、有翅昆蟲、蠕蟲以及不計其數的其它生物體內。當然這些轉基因植物和動物還存在一些爭議,並且已經引發了關于基因工程安全性和倫理性的重要對話。

從下面的8張圖片,我們將看到綠色熒光蛋白質在科學研究和藝術領域發揮作用的美麗而令人驚訝的例子:

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含有熒光蛋白的水母

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GFP可以形成自己的發色團,它非常適合于基因工程

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具有熒光蛋白的昆蟲

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隨著病毒在宿主體內不斷擴散,你就可以通過跟蹤發出的綠光來觀察病毒的擴散途徑;或者你把它接合到一種蛋白質上並通過顯微鏡觀察它在細胞內部的移動

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1997年7月日本大阪大學的科研人員首次培育出能夠夜裏發光的含有綠色熒光蛋白的老鼠

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擁有綠色熒光蛋白的蜜蜂

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科學使用綠色熒光蛋白跟蹤大腦細胞的活動

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含有綠色熒光蛋白的兔子

(來源: 網易探索)

  據《每日科學》網站報道,瑞典皇家科學院把今年的諾貝爾化學獎授予了美國加州大學聖叠戈分校生物化學及化學系教授、美國國家科學院院士錢永健,美國哥倫比亞大學生物學教授馬丁·沙爾菲,日本有機化學家兼海洋生物學家下村修,以表彰三人作爲綠色熒光蛋白的發現者和推廣者,所取得的科學成就。   綠色熒光蛋白(GFP)(蛋白質編號1gfl),是從一種生活在北太平洋寒冷水域的水母體內發現的。這種水母體內含有一種生物發光蛋白質——aequorin,它本身發藍光。GFP能把這種光轉變成綠色,也就是當水母容光煥發的時候我們實際看到的顔色。GFP的純溶液在典型的室光下呈黃色,但是當被拿到戶外的陽光下時,它會發出鮮綠的顔色。這種蛋白質從陽光中吸收紫外光,然後以能量較低的綠光形式發射出來。綠色熒光蛋白質可以幫助科學家了解細胞如何工作,這種神奇的蛋白質是當代生物化學研究的最爲重要的工具之一。 利用綠色熒光蛋白,研究人員可以使用多種技術來跟蹤動物器官的工作機理。可以跟蹤癌細胞和大腦細胞的組織活動。這些都給人類帶來了不可估量的作用,爲人類解決醫學難題提供了寶貴的信息。因爲它能夠使我們直接看到細胞內部的運動情況。你只需要用紫外光去照射,這時所有的GFP都將發出鮮豔的綠色。比如,你可以把它連接到一種病毒上。然後,隨著病毒在宿主體內不斷擴散,你就可以通過跟蹤發出的綠光來觀察病毒的擴散途徑;或者你把它接合到一種蛋白質上並通過顯微鏡觀察它在細胞內部的移動。 因此康涅狄格學院化學家、《發光基因》作者馬克·齊默(Mark Zimmer)將綠色熒光蛋白質稱之爲「21世紀的顯微鏡」。科學家稱,在生物的器官中,有數以千萬記的不同種類的蛋白質。如果這些蛋白質一旦出現「故障」,那麽疾病就會隨之而來。所以,標明不同種類蛋白質的特殊功能,對于生物科學來說,是十分重要的。使用熒光蛋白,人們可以觀察蛋白質的運動過程,和活動情況以及被跟蹤的蛋白質之間的化學作用。   首先發現綠色熒光蛋白的是生于1928年的日本有機化學家兼海洋生物學家下村修。下村修現年80歲,出生于日本京都府,1960年獲得名古屋大學理學博士學位,曾先後在美國普林斯頓大學、波士頓大學和伍茲霍爾海洋生物實驗所工作。錢永健是綠色熒光蛋白發展曆程中最爲關鍵的的締造者,他在下村修與沙爾菲研究的基礎上進一步搞清楚了綠色熒光蛋白特性。他改造綠色熒光蛋白,通過改變其氨基酸排序,造出能吸收、發出不同顔色光的熒光蛋白,其中包括藍色、青色和黃色,並讓它們發光更久、更強烈。世界上目前使用的熒光蛋白大多是錢永健實驗室改造後的變種。錢永健1952年生于紐約,現爲美國加州大學聖叠戈分校生物化學及化學系教授、美國國家科學院院士、國家醫學院院士,2004年沃爾夫獎醫學獎得主。主要貢獻是利用水母發出綠光的化學物來追查實驗室內進行的生物反應,他被認爲是這方面的先驅。   在生物的活體器官中,有數以千萬記不同種類的蛋白質。這些蛋白質控制著器官中每一瞬間發生的任何化學反應。所以,標明不同種類蛋白質的特殊功能,對于生物科學來說,是十分重要的。雖然蛋白質本身發光,但是下村修和約翰森的研究表明,從水母中提取的發光蛋白質可以作爲一種激化制劑。1962年,下村修和約翰森等在《細胞和比較生理學雜志》上報道,他們分離純化了水母中發光蛋白水母素。1963年,他們在《科學》雜志報道鈣和水母素發光的關系。其後兩位來自美國的科學家發現鈣離子是生物體內的重要信號分子。于是,科研人員根據下村修和約翰森發現的水母素的原理,使得水母素成爲第一個有空間分辨能力的鈣檢測方法,這是目前仍用的方法之一。1955年達文波特和尼克爾發現水母可以發綠光,但不知其因。在1962年下村修和約翰森在那篇純化水母素的文章中,有個注腳,說還發現了另一種蛋白,它在陽光下呈綠色、鎢絲下呈黃色、紫外光下發強烈綠色。其後他們仔細研究了其發光特性。1974年,他們純化到了這個蛋白,當時稱綠色蛋白、以後稱綠色熒光蛋白GFP。Morin和Hastings提出水母素和GFP之間可以發生能量轉移。水母素在鈣刺激下發光,其能量可轉移到GFP,刺激GFP發光。這是物理化學中知道的熒光共振能量轉移(FRET在生物中的發現。1992年,普臘石拿到了GFP的基因,使得研究者的應用更加方便。   GFP是一種現成的熒光蛋白質,因此它特別容易使用。大多數可以處理光的蛋白質都利用外來的分子吸收和釋放光子。例如,我們的眼睛就是利用維生素來感光。不同的是,GFP控制光的部位是其自身的一部分,僅由氨基酸構建而成,該部位含有一段三個氨基酸組成的特殊序列:絲氨酸-酪氨酸-甘氨酸(有時絲氨酸會被相似的蘇氨酸取代)。當蛋白質鏈折疊時,這段短片段就被深埋在蛋白質內部,然後,發生一系列化學反應:甘氨酸與絲氨酸之間形成化學鍵,生成一個新的閉合環,隨後這個環會自動脫水。最終,經過大約一個小時的反應,周圍環境中的的氧氣攻擊酪氨酸的一個化學鍵,形成一個新的雙鍵並合成熒光發色團。由于GFP可以形成自己的發色團,它非常適合于基因工程。你根本不必擔心操作任何奇怪的發色團,你只需要利用遺傳學的方法操縱細胞合成GFP蛋白質,GFP就會自動折疊並開始發光。   目前,GFP的用途已經擴展到藝術和商務領域,藝術家通過把GFP插入兔子細胞內創造出了一只熒光的綠色兔子。育種工作者正在探索利用GFP來創造特殊的熒光植物和各種魚類,GFP已經被移植到大鼠、老鼠、青蛙、有翅昆蟲、蠕蟲以及不計其數的其它生物體內。當然這些轉基因植物和動物還存在一些爭議,並且已經引發了關于基因工程安全性和倫理性的重要對話。   從下面的8張圖片,我們將看到綠色熒光蛋白質在科學研究和藝術領域發揮作用的美麗而令人驚訝的例子: [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384552412.jpg[/img][/url] 含有熒光蛋白的水母 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384555599.jpg[/img][/url] GFP可以形成自己的發色團,它非常適合于基因工程 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384557974.jpg[/img][/url] 具有熒光蛋白的昆蟲 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384558803.jpg[/img][/url]   隨著病毒在宿主體內不斷擴散,你就可以通過跟蹤發出的綠光來觀察病毒的擴散途徑;或者你把它接合到一種蛋白質上並通過顯微鏡觀察它在細胞內部的移動 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384561803.jpg[/img][/url] 1997年7月日本大阪大學的科研人員首次培育出能夠夜裏發光的含有綠色熒光蛋白的老鼠 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384564881.jpg[/img][/url] 擁有綠色熒光蛋白的蜜蜂 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384567537.jpg[/img][/url] 科學使用綠色熒光蛋白跟蹤大腦細胞的活動 [url=/bbs/detail_1862189.html][img]http://images.wangchao.net.cn/images/upload/images/kepu/1224384568428.jpg[/img][/url] 含有綠色熒光蛋白的兔子 (來源: 網易探索)
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