无路难开路更难：绿色荧光蛋白的传奇发现之旅绿色荧光蛋白能够通过自身催

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绿色荧光蛋白能够通过自身催化形成生色团并在蓝光或紫外光激发下发出绿色荧光，通过基因工程与其它蛋白融合，它可以让不可见的蛋白质成为可见，因此在过去的二十多年里成为生物学家和医学科学家研究细胞内各类生物化学过程的指路星，可以说是生物学研究的重要工具。对其的原创性发现和后来的重要发展斩获了2008年诺贝尔化学奖，投身其中的诸位科学家的探索之旅则堪称科学史上的一段传奇佳话。
撰文|徐亦迅
生命科学史的发展脉络是从容易观测的宏观层面（比如物种分类和大体解剖学）进入需要仪器才能观测的微观层面（比如显微解剖学研究的组织和细胞）。十七世纪荷兰科学家列文虎克(AntonievanLeeuwenhoek)用他改进的光学显微镜首先观察并描述了单细胞生物，就是生物学历史上的一个分水岭。在显微镜的帮助下，生物学家们逐渐观察到了以前都不知其存在的细菌、细胞、细胞器等微观研究对象。这样的还原论研究一旦达到分子水平，就连电子显微镜也很难让我们直接观测蛋白质等生物大分子在活体细胞中的表达和定位。从维多利亚多管发光水母(Aequoreavictoria ，下文简称发光水母或水母)中分离的绿色荧光蛋白（GreenFluorescentProtein,GFP），让曾经不可见的蛋白质成为可见，在过去的二十多年里成为生物学家和医学科学家研究细胞内各类生物化学过程的指路星。本文要讲述的就是几位科学家的故事，他们为GFP引发的生物学革命做出了重要贡献。
生物发光现象的早期研究
GFP发现的缘起与生物发光现象（bioluminescence）密不可分，因此我们首先要介绍一下不同类型的低温发光（luminescence）。

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图1：各种类型的低温发光现象及其激发模式
火是人类历史上最重要的发明，与它相联的白炽发光（incandescence）通常定义为物体被加热到高温时发出的可见光。低温发光则是一种由不与环境处于热平衡的激发态化学组分自发放射的可见光。两千五百多年前的古希腊科学家亚里士多德，就在《论颜色》一书中写道：“有些不是火而且与火的产生无关的物体似乎可以自然发光” 。这意味着人类很早就意识到白炽发光和低温发光的重要区别：白炽灯泡在照明时效率不高，只能把一小部分电能转化为光能，而其余能量以热的形式被耗散；而生物发光则是一种高效的化学反应，在将化学能转化为光能的过程中几乎不产生热，因此也称为“冷光” 。
按照不同的激发模式，我们可以把低温发光分为光致发光(photoluminescence)、电致发光(electroluminescence)、化学发光(chemiluminescence ，生物发光是一种特殊的化学发光)等很多种类(图1) 。最为常见的光致发光是荧光(fluorescence)和磷光(phosphorescence) ，请读者们特别注意荧光与生物发光的区别。
自然界中最为常见的一种生物发光现象就是萤火虫。每到夏日的夜晚，萤火虫在草丛里点点飞舞，构筑成奇幻的美景。唐代大诗人李白曾作《咏萤火》一诗：“雨打灯难灭，风吹色更明。若飞天上去，定作月边星” 。

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图2：生物发光的研究肇始于科学家们对萤火虫现象的着迷
除了萤火虫，自然界还有很多物种有低温发光的能力，其中包括细菌、原生动物、真菌、水母、乌贼等。科学家们很早就对生物发光现象有深入研究的好奇之心，但一直缺乏有效的科研手段。直到1667年，英国化学家波义耳(RobertBoyle)用气泵将钟罩内的空气抽去，发现里面的真菌不再发光。当他再将空气导入时，真菌的生物发光能力恢复。在十七世纪的化学界，人们对空气的成分还一无所知。只有等到1770年代，瑞典化学家舍勒(CarlWilhelmScheele)和英国化学家普利斯特里(JosephPriestley)独立发现了最终由法国化学家拉瓦锡(AntoineLavoisier)阐明的氧气，生物发光对氧气的依赖性终于浮出水面。