祭祀習俗(電子書)

螢光蛋白 照亮大腦


神奇綠色螢光蛋白為神經科學點高了未來，

再搭配致動分子，就可用雷射遙控果蠅！



抗暖化大絕招：為地球遮陽 p32

熱力學第二定律有更完備的新版本 p76

帶個掌上型核磁共振儀去考古！ p100

微量三聚氰胺，如何分析定量？p112



生命科學的進步，常仰賴其他科學領域的發明或技術，例如電子顯微鏡讓科學家能夠觀察細胞的細微構造、蛋白質定序與DNA定序成為分子生物學的基本工具、聚合鏈鎖反應（PCR）從考古學到鑑識科學都用得到。這些重大的成就陸續獲得了諾貝爾物理獎或化學獎的肯定，而今年獲得諾貝爾化學獎的成就：綠色螢光蛋白（green fluoresce protein, GFP），也為生命科學打開了新的視野。這種蛋白質從發現至今40多年了，但直到近10多年來才有廣泛的應用。



綠色螢光蛋白是由日裔化學家下村脩在1961年從維多利亞管水母（Aequorea vicotria）中發現的。下村脩在日本獲得博士學位的研究是關於海洋節肢動物海螢（Cypridina）中的發光蛋白，後來他被延攬到美國普林斯頓大學，研究對象換成了維多利亞管水母，因而發現了GFP。這種蛋白質在紫外光的照射下會發出綠色螢光，因而得名。



大部份能夠發出螢光的蛋白質，通常需要其他分子的協助，例如螢火蟲體內的螢光酵素（luciferase）必須催化螢光素（luciferin）與氧氣結合，再由高能分子ATP提供能量，才會發出螢光；有的發光的部位並非蛋白質本身，而是其他的分子，這類系統比較複雜，如果要在細胞內發出螢光，除了需要活化酵素的基因之外，還得合成其他的分子。GFP特殊之處在於它既不需要能量分子，也不必與其他分子結合，只要受到紫外光或是藍光照射，就會發光。



一個基因就讓線蟲發光



下村脩雖然在1970年代持續研究GFP的細節，但是當時分子生物學的研究才剛起步，而且許多生物發出螢光的機制也陸續揭開，因此GFP並沒有受到太多注意。直到1988年，專門研究線蟲（Caenorhabditis elegans）的生物學家喬非（Martin Chalfie）在一次演講中得知有這種蛋白質之後，就有了利用它的點子。線蟲是透明的，只有數毫米長，全身只有900多個細胞，但是五臟俱全，是科學家最常使用的研究模式生物之一。喬非設想，如果能把GFP的基因連接到線蟲其他基因的開關、或是放在其他蛋白質的基因之後一起活化，產生GFP，那麼GFP的螢光就能成為這些基因活動的指標。



當時GFP的基因還沒有找到，不過美國伍茲赫爾海洋研究所的普萊雪（Douglas Prasher）已在進行，幾年後普萊雪成功了，便將選殖出的基因給了喬非。喬非的團隊先在大腸桿菌中測試這個基因的效果。果然，大腸桿菌只要有了GFP的基因，在紫外光照射下便會發出綠光。喬非隨後將這個基因運用在他熟悉的線蟲上，並於1994年發表研究成果：將GFP的基因放到線蟲觸覺受器神經元（touch receptor neuron）中特別活躍的基因啟動子後，在顯微鏡下，線蟲的這些神經元果然發出綠色的光芒。



這個成功的應用，為生物學指出了一條明路，現在科學家有了這一項利器在手，能夠觀察特定細胞中個別基因的活動，例如只要將GFP的基因放在與多巴胺合成相關的基因之後，就可找出哪些細胞能夠製造多巴胺。甚至利用遺傳工程技術讓GFP基因接在蛋白質產物上（這是分子生物學的基本技術），觀察蛋白質在細胞中的活動與分佈。如果把能和鈣離子結合的蛋白質鈣調素（calmodulin）和GFP連接在一起，由於鈣調素與鈣離子結合時形狀會改變，進而影響GFP的發光能力，如此就能顯示細胞中鈣離子的濃度變化。這些放入GFP基因的細胞沒有經過化學固定、不需要加入其他物質才能顯色，是最接近原始狀況的細胞。