用“光”描绘生命的艺术

夏爱强

荧光的发现
在海洋中，栖息着一类美丽而神奇的生物——水母。水母是一种非常漂亮的水生动物。它的身体外形就像一把透明伞并且一部分水母还具备自体发光的能力，与斑斓荡漾的海水相映成辉，勾勒出一幅美丽的画卷，但以前的人们对于水母发光的原因并不清楚。
直至20世纪中期，一位名叫下村修的科学家仔细对水母这一独特的发光现象进行深入研究，发现水母的荧光来源于一种会发光的物质——水母蛋白，水母蛋白本身可以发出蓝色的荧光，随后这个蛋白会将蓝色的荧传递给另一种绿色荧光蛋白。在蓝光的激发下，绿色荧光蛋白最终使水母产生了绿色的荧光。

荧光的改造历程
随着生命科学的发展，我们知道蛋白质是由基因进行“操控”的。上世纪80年代，普鲁切（Douglas Prasher）对水母的基因进行分析，成功地克隆出水母中编码绿色荧光蛋白的基因。而在转基因技术的进一步推动下，有了这段基因，我们就可以在一些特定的细胞转入该基因，从而操控细胞产生出荧光蛋白，但当时科学家手中的“颜料盘”颜色还很单一。
21世纪基因工程技术的发展进入快车道，华裔科学家钱永健（Roger Y Tsien）通过对绿色荧光蛋白分子的基因进行改造，产生了增强型绿色荧光蛋白，以及蓝色、青色和黄色的新型荧光蛋白。在此之后，其他研究者又从珊瑚虫中发现了红色的荧光蛋白。在科学研究的不断发展和已有荧光蛋白的改造的推动下，生物学家们的“颜料盘”中的色彩也逐渐丰富了起来。

常见的荧光种类

荧光在生命科学中的应用
随后，科学家们利用转基因的这把“手术刀”，创造出了表达各种荧光的细胞和转基因动物，或是通过将多种多样的荧光分子与一些蛋白相连接，对机体的不同细胞进行“上色”，使其用于疾病病理机制方面的研究。例如，通过对肿瘤组织中的不同细胞进行荧光染色，可以对“特种部队”（免疫细胞）和 “敌人”（肿瘤）之间的相互作用进行研究，从而为攻克肿瘤的终极目标尽一份力量。
但如果仅仅是这样做，一般只能得到单一或少数几种颜色的“作品”。于是研究者们利用一种名叫“Cre重组酶”的酶，这种酶具备着一种奇特的能力。它可以识别特定的基因序列，并把两个“识别记号”中间的基因删除。科学家们将几种颜色的荧光蛋白基因“缝”在一起，并在不同的荧光蛋白之间加上Cre重组酶可以识别的“记号”。在酶的这个小伙伴的帮助下，这串荧光蛋白基因会被随机地“剪掉”一部分，而剩下的部分会进行保留，并产生出不同的颜色，这样一来，机体中的细胞就可以随机地展现出不同的颜色，绘制出色彩斑斓的神经系统。

表达不同荧光蛋白的菌株

肿瘤微环境的多色标记

小鼠神经元多色标记

来源: 华中科技大学武汉国家光电研究中心