绿色荧光
在凭借绿色荧光蛋白分享本年度诺贝尔化学奖的3人中,钱永健走出的是“最后一步”。在这之前,另两位科学家的出色工作让他最后的神来之笔成为可能。
最初发现绿色荧光蛋白的是日本海洋生物学家下村修。当初学医的下村修从长崎医科大学毕业后想去名古屋大学深造,就前往名古屋大学“拜码头”,碰巧他想找的教授出差,结果偶遇科学家平田义正,最终进入后者的研究室。平田义正的研究室当时在研究海洋荧光动物海萤。1962年,下村修从生活在美国西海岸近海的一种水母体内分离出绿色荧光蛋白。
1992年,研究人员成功复制绿色荧光蛋白基因。美国生物学家沙尔菲据此指出,绿色荧光蛋白的发光特性在生物示踪方面有极高价值。
在这之前,生物学家在细胞层面做研究仍然脱不了“简单粗暴”四字。他们要么使用可能损害细胞本身的染料,要么把细胞碾碎分析其中成分。而沙尔菲说,有了复制成功的绿色荧光蛋白基因,就不用再以研究之名损坏细胞了,只需改造这些需要研究的细胞,将绿色荧光蛋白基因嵌入它们的遗传信息组,它们就能自行产生绿色荧光蛋白,自己就打起了“手电筒”,它们在干什么、与其他哪些细胞打交道、要往哪儿去,借助显微镜一望便知。
打个比方,绿色荧光蛋白仿佛是伊拉克战争中跟随美军从事“嵌入”式报道的记者,旁观生物学反应的研究人员像在电视旁追踪战争进程的观众一般,通过“现场直播”了解事件进展。
理论铺垫已经足够,该钱永健上场了。
颜色俘虏
利用生物学和化学技能,钱永健找到了让绿色荧光蛋白发光更强烈、时间更久的办法,他还改变绿色荧光蛋白基因的氨基酸排序,造出能发出不同颜色的荧光蛋白。钱永健兼职的霍华德·休斯医学研究所发表新闻公报说,钱永健提供给世界的荧光蛋白有“樱桃色、草莓色、橘子色、番茄色、橙子色、香蕉色和密瓜色”。
“就像一大盒彩笔,”在加利福尼亚大学圣迭戈分校与钱永健合作多年的马克·埃利斯曼说。
花花绿绿从小是钱永健的最爱。
“我一直就喜欢颜色,”钱永健说,“颜色让工作更有趣,能让你做更长时间。尤其是在比较挫折的时候更有帮助。要是我是个色盲,我一定不会做这行。”
钱永健的这种偏好帮了研究人员大忙。有了不同颜色的荧光蛋白,可以同时观察多种细胞反应。钱永健没有止步于此,他继而研发了能随着酸度、钙水平等环境变化变色的荧光蛋白以及与其他颜色荧光蛋白相互作用后会产生新颜色的荧光蛋白。2007年著名实验“脑虹”最后产生90多种颜色,就是利用这些荧光蛋白。
“脑虹”实验由哈佛大学分子和细胞生物学系教授杰夫·利希曼和乔舒亚·萨内斯主持。这一小组将红、黄、青3种荧光蛋白基因嵌入老鼠基因组,随着老鼠胚胎的生长而分裂生长。研究人员随后用来自细菌的重组基因激活这些色素基因。通过在老鼠不同部位或不同发育阶段使用色素基因,成功为老鼠的不同细胞涂上不同颜色,最终展现在显微镜下的老鼠脑干组织切片上有近百种颜色标记,如一幅色彩绚丽的抽象画。
荧光工业
对自己获奖,钱永健说,发现绿色荧光蛋白的不是自己,利用它作出重大生物学贡献的也不是自己。
“我就是个造工具的人,”他说得再简单不过。
有了这一工具,研究人员可以将绿色荧光蛋白基因插入动物、细菌或其他细胞的遗传信息之中,让它随着这些需要跟踪的细胞复制,细胞产生的绿色荧光蛋白能“照亮”不断长大的癌症肿瘤、跟踪阿尔茨海默氏症对大脑造成的损害、观察有害细菌的生长,或是探究老鼠胚胎中的胰腺如何产生分泌胰岛素的β细胞。
所谓工欲善其事,必先利其器。钱永健造出来的这个工具有多重要,还是要用数字说话。1992年研究人员成功复制绿色荧光蛋白基因以前,当今世界最具权威的生物医学文献数据库医学文献分析和查询系统(Medline)内只有十余篇提到绿色荧光蛋白的文献。这一年后,绿色荧光蛋白的出现频率几乎可与试管相比。去年,使用绿色荧光蛋白或其他荧光蛋白做研究发表的论文数量超过1.2万份。
沙尔菲评价说,钱永健“真正将绿色荧光蛋白变成了一个有用的工具”。
瑞典科学院将绿色荧光蛋白的发现和改造与显微镜的发明相提并论:“绿色荧光蛋白过去10年间成为生物化学家、生物学家、医学家和其他研究人员的引路明灯……成为当代生物科学研究中最重要的工具之一。”