红外荧光蛋白或为细胞成像及调控的研究带来一场革命。

撰文：BINACA NOGRADY

传统意义上讲，精神控制是催眠师的拿手好戏。不过荧光蛋白领域的研究发现向我们展现了这样一种可能：仅仅利用红外光便可实现对细胞生理过程、基因活性甚至行为的控制。

荧光蛋白是一种能够吸收光而后又释放光的物质。如今它已成为细胞生物学家手中一件强大的工具。事实上，这种蛋白的重要性从2008年诺贝尔化学奖中就可见一斑——哥伦比亚大学的Martin Chalfie、伍兹霍尔海洋生物学研究所的下村修以及加利福尼亚大学圣迭戈分校的钱永健三人因发现和发展了绿色荧光蛋白而携手获得此奖项。尽管不可或缺，但这些蛋白因为波长的原因，在应用上仍存在局限性。它们需要可见光谱中的蓝色至橙色波段加以激发，也就是说激发光的波长范围应在495~570纳米之间。这段光的波长过短，不足以很好地深入组织内部，因而绿色荧光蛋白主要在体外研究中用于观察细胞分裂或标记特定的细胞类型。

如今钱永健和他在加利福尼亚大学圣迭戈分校的同事一道，把这一领域的研究向前推进了一大步。他们研发出一种新的荧光蛋白，在吸收远红外光后，可以发出波长在700纳米左右的近红外光。较长的波长可以使得光穿透哺乳动物的组织，甚至骨骼。这样一来，科学家就可以在一只活蹦乱跳的动物体内为细胞活动打上标签并使之可视化。“比如你用绿色荧光蛋白标记了一个肿瘤，但如果这个被标记的肿瘤位于动物机体的内部，那你将很难观察到释放出来的绿色荧光。但是如果用于标记的蛋白是红外荧光蛋白，由于红外光穿透组织的能力更强，因此你将观察到更为强烈的信号，”红外荧光蛋白研究的第一作者舒校坤如是说道。

钱永健小组从耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）中获得了红外荧光蛋白。这种生命力顽强的细菌以其在极端环境下的生存能力而著称于世。实际上，细菌并不使用这类被称之为细菌光敏色素（bacteriophytochrome）的蛋白来发光。舒校坤提到：“它们利用这些色素蛋白来控制基因表达。”这些蛋白将吸收的光线转换为能量，继而向特定的基因发出开启或关闭的信号。

摆在研究者面前的第一个挑战是重新改造这种蛋白，以使其将吸收的光线重新释放出来而非用做一种能量来源。通过删除蛋白上负责将光能转换为化学能的区域，科学家成功地攻克了这一挑战。被截短的突变蛋白将吸收的光能以红外光的形式释放出来。研究者将经改造的细菌蛋白掺入至哺乳动物细胞——如活体小鼠的肝脏细胞中，并观察到了红外光的释放。

这项成果发表在2009年5月8日出版的《科学》杂志上。该成果为动物机体内各种生化反应及内部组织的可视化成像铺平了道路（不过该类蛋白应用于人体依旧不太可能，因为这种移植需要把细菌的一些基因导入至人体，会引发一些伦理问题）。

澳大利亚悉尼Garvan研究所的细胞生物学家David James评论道：“这项发现非常重要，因为目前我们的许多知识都仅限于生长在玻璃培养皿中的单个细胞，对于活体动物体内的细胞，这些知识是否适用仍有疑问。”James还表示，红外荧光蛋白还解决了另一个问题，源自其他生物分子的自发荧光与传统荧光蛋白标记相比，在波长上趋于一致，因此造成了很多“背景噪音”。

然而这些细菌光敏色素更加巨大的潜力还在于其原始功能，即为基因表达调控提供能量。钱永健认为，我们回过头，想要对光敏色素的信号调控特性加以利用，这一想法是可行的，借助光来“开启动物的基因或调控其生化反应”也是可能的。

譬如有一个特定基因控制部分大脑功能，而你想探索该基因的开启对小鼠的行为有何影响。对于小鼠而言，幸运的是进行这样的研究时，它将不必再遭受开颅之痛，也无需忍受被穿刺针插入大脑。钱永健预期道：“如果红外荧光蛋白经过改造，可以变回到红外光敏色素，那么你将拥有一副现成的开关，只需坐等足够的红外光信号打开开关即可。”因为红外光可以穿透颅骨，抵达光敏色素处，实现远程开启基因，从而使得小鼠的行为改变得以观测。

钱永健评论道，这将是荧光蛋白改进的下一步。他相信光敏色素代表了一类具有巨大潜能的蛋白。如果他的想法是正确的，那么在未来的若干年内，希望会有越来越多对红外光趋之若鹜的科学家。