[2011.3.10] 发光的秘密

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发光的秘密

生物技术：科学家已经发现了生命体发光的生化机理，这就是众所周知的生物荧光——一种即将拥有广泛应用前景的新技术。

Mar 10th 2011 | from the print edition

人们对于发光的真菌和萤火虫的迷恋，可以追溯到遥远的过去。 “生物荧光”（ bioluminescence）这个词最初就是由亚里士多德（Aristotle）用来描述这种生物发光现象的，他在公元前四世纪就已经注意到了这种光不同于蜡烛的光，因为萤火虫发出的这种光没有热的产生。在公元一世纪，罗马的集政治家，博物学家和作家于一身的老普林尼（Pliny the Elder），在他有生之前，记录了他了他家乡——那不勒斯（意大利西南部港市）湾附近的发光生物，包括一些发光的水母和蛤，当时人们就认为这些生物非常精妙。在他的《自然史》一书中，他描写道，“当其他的光源撤去以后，就会发现这些在黑暗中的鱼发出亮光，这是它们的特性，并且当人们吃它们的时候，它们还能发光。”老普林尼甚至还描绘了这种生物荧光的应用：将手仗放入这些水母做成的黏液中进行浸泡，这样就可以制作一个火把。

最早试图揭开这种“生命之光”生化机理的先驱是17世纪的化学家罗伯特•波义耳（Robert Boyle），他发现，当将这种水母放入除去空气的罐子中时，它的发光现象就消失了。不过最近的研究员才真正揭开这种发光的生化机制。这种发光机制的研究将有一个广泛的应用前景，例如检查疾病，侦测潜水艇甚至是监测污染等。目前已经培育出了发光的小狗，甚至人们还在谈论一些发光树木和发光食物。

最简单的一种发光的机制就：荧光素和一分子氧在荧光素酶的作用下，荧光素自身被氧化（这解释了为什么波义耳除去空气后，发光水母的发光现象消失）。这个生化反应的主要产物有三种，光，二氧化碳和一种氧化荧光素的化合物。一些生物化的发光机制就是按上述简单的化学反应进行的，不过多数有机体的反应机理比较复杂，它们还需要一些生物辅助因子的作用。例如像萤火虫这种研究最为彻底的物种，它的发光机制主要依赖于两种辅助因子：镁离子和三磷酸腺苷（ATP，生物体直接提供能量的小分子物质）。

那里有光

许多水母能发光，但机制却稍有不同。其中一些水母不含荧光素，取而代之的是一个叫发光蛋白（photoprotein）大分子物质，实际上，这种发光蛋白质有与氧分子紧密结合的特性。例如萤火虫，它主要是依赖于镁离子这种辅助因子，而水母则依赖于钙离子。

类似萤火虫和水母的这种发光机制还存在于其他很多的生物体中。此外，其他的一些生物体也有荧光的特性。最初就是在一种叫Aequorea victoria这种水母的体内发现了荧光蛋白，这个蛋白能发出蓝色的光，不过水母自身却发一种绿光。这个问题一直困扰了研究者好多年，直到1955年，才发现这种水母体内的每个发光细胞内都有一种特殊的蛋白质。当这种生物荧光反应暴露在蓝光下时，发出了明亮的绿光，因此，这种蛋白就被叫做绿荧光蛋白（GFP）。

当研究完这种生物荧光的机制后，研究人员又开始了一些后续的研究工作。1967年，为了迫切了解这种生物荧光的前景，俄勒冈大学(university of oregon)大学的艾利斯•李奇薇（Ellis Ridgway）和克里斯托芬•阿什利（Christopher Ashley）二人从1万只水母中收集了一些荧光蛋白，将它们注射到藤壶（barnacle）的肌肉纤维中，因为肌肉收缩会产生钙离子，他们想通过这样的方式来检测一下，这样的生物体活动能否产生蓝光。他们没有失望：藤壶的肌肉纤维发光了！

其他的一些研究也做了，例如研究从萤火虫体内收集的发光蛋白质（也是蛋白质，肯定不同于水母中的）。研究结果表明，生物荧光的产生需要一些辅助因子，因此，这种技术可以用来检测一个环境中的特殊化学物质。不过要想从成千上万的萤火虫体内收集这种蛋白，成本太高，这样并不适合做大规模的研究。因此，开发这种生物荧光反应的应用并不实际。

不过，随着克隆技术的进步，情况变得不一样了。1985年，突破首先发生在马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋学研究院（the Woods Hole Oceanographic Institution），研究院的的道格拉斯•普拉舍（Douglas Prasher）和他的同事一道，通过用克隆技术复制了这种在Aequorea victoria体内发现的这种蛋白。这种技术的应用就避免了最初从水母中收集荧光蛋白的各种困难，并且使得操作变得简单易行，通过使用这种蛋白质，就可以检测钙离子的含量。

同年，克隆荧火虫的荧光素酶也取得成功，这个非常有用。与水母中的荧光蛋白不同，荧光素酶的发光需要荧光素和ATP的支持。大多数环境中，ATP的量并不充足，不过由于细胞的新陈代谢，生物体会产生大量的ATP。研究者们将荧光素酶和荧光素加入水或食物的样品中，这样就可以检测其中的ATP，进而确定样品中是否含有细菌或者其他病原体。

1992年，普拉舍又成功地克隆了绿荧光蛋白，这样就再也不需要从生物体中收集这种蛋白了。这种技术的实现将为人们展示出生物荧光的广阔应用前景，因为绿荧光蛋白再也不必注入到生物体的组织内了。取而代之的是测定绿荧光蛋白的基因序列，将绿荧光蛋白的基因序列直接加入生物的基因中，这就创造了追踪生物细胞活动的新方法。

这种技术最初在E. coli to细菌上得到验证，在蓝光的激发下，细菌产生了绿光。类似的实验也在一些更大动物身上得到了验证，当在蓝光环境中，这些动物产生了荧光。其中最有意思的一个实验就是培育了一个叫做卢比（Ruppy）的小狗，它在紫外线的照射下，身上发出了红宝石色的荧光，因为它的体内被植入了一个从海葵身上找到的发光蛋白基因，这中发光蛋白作用类似于绿荧光蛋白，不过它发出的是红光。

这看起来似乎没有什么实际意义，不过它预示了人们可以更深入地研究那些长期的动物生命作用机制。美国康涅狄格学院（Connecticut College）的计算化学家马克•齐默（Marc Zimmer）说：“五彩斑斓的荧光蛋白可以说是现代研究人员的利器，可以帮助他们解决那些因其数年的问题。”

水母，照亮前景

荧光蛋白还用于研究受损的组织再生，在德国的马克斯普朗克研究所（the Max Planck Institute，人们平时所说的有名的“马普所”就是这个研究所），一个由Elly Tanaka带领的研究团队在研究蝾螈有关的课题。他们研究的蝾螈种类是普通的Ambystoma mexicanum，也就是俗称的墨西哥蝾螈，这种蝾螈非常有名，它身体的一些受损部位，如四肢和口部受损时都可以再生。

为了使研究过程放出更的光，研究小组通过基因工程的手段，让墨西哥蝾螈整个身体产生绿色荧光蛋白。研究者主要研究将这些转基因蝾螈身上的真皮，软骨，肌肉等组织移动到普通蝾螈身上产生的效果。首先将转基因蝾螈的组织安全地储存起来，对于接受移植组织的个体进行截肢。接着将那些包括肢体在内的荧光组织移植到被截肢的部位，这样研究者就可以研究不同类型细胞的再生过程。

研究者发现一些组织例如真皮可以分化为软骨组织，不过其他的一组组织如肌肉则缺乏活性，在整个过程中仍然保持肌肉组织的状态。虽然研究中的的发现没有提示出人数断肢的再生，但是实验还是为研究人员迈向最终目标提供了一些珍贵的信息。齐默说道，“就像在蝾螈实验中，这样的荧光蛋白给我们的研究提供了一个新的视角，这和显微镜的发明意义一样，它们都让我们看到了以前想不能看到的世界。”

点亮细菌

生物荧光技术对于研究病毒非常有价值，因为它还可以用来标记病毒。为了研究病毒感染的过程，研究人员传统的做法每天是处死实验动物。具体过程为，通过给动物注射疱疹病毒，在接下来的几天内，将某天感染病毒的动物组织切片与与感染数天的动物相对比。通过这样的比较，研究人员能够了解到病毒的感染过程，如果其中使用了药物的实验动物有抵抗病毒的倾向时，则就可以研究这种病毒的治疗方法了。

不过这种技术的局限就是，研究每天处死动物的组织切片的过程就像是从每十分钟获得一次电影的静态画面，想通过这种方法来研究病毒如何作用是不完全的，它只提供了一个部分的研究信息。更复杂的的就是，对于感染的反应，并不是所有的实验动物表现都一致。即使是两个血缘非常近的小鼠的组织切片，对于同一感染的反应也有很大的不同。

为此达特茅斯医学院（Dartmouth Medical School）的大卫•莱布（David Leib）决定采取一种不同的研究方法。他将荧光素酶的基因加入了单纯疱疹病毒1型病毒中，并且将这种修改过的病毒注入了小鼠体内。小鼠还定期注射荧光素，以便荧光素酶能够持续发光。

由于产生的光线非常昏暗，莱布曾经在圣路易斯的华盛顿大学（Washington University, St Louis），和加里•卢克（Gary Luker）和大卫•皮温卡•沃兹（David Piwnica-Worms）将实验动物放到一个黑箱中，再用一个特殊的相机对动物进行拍照。通过频繁地拍照，这些照片显示了病毒在小鼠体内的感染过程。莱布说，“突然间，我们发现了我们有可能用更少的小鼠来追踪病毒与免疫系统之间的实时作用。”

部分荧光酶甚至通过小鼠血液的过程都可以被相机捕获，之所以会这样的原因是，荧光酶会产生一些红光，而与萤火虫有关的荧光酶则产生黄绿色的光。黄光和绿光并不能透过小鼠组织，而红光由于频率更低，可以透过。诺曼•梅特兰（Norman Maitland），来自纽约大学的约克郡癌症研究实验室（the Yorkshire Cancer Research Laboratory），他的同事来自遍布欧盟的14个研究机构，他们这个团队通过利用这个方法，培育了一种含绿荧光蛋白基因的病毒，这个绿荧光蛋白已经经过改造，发出的是红光，是专门用来在前列腺癌细胞内生长的。

实验室先准备一个含有癌细胞的培养基，当病毒放到这样的培养基上时，病毒就会浸染这些癌细胞，并将红色荧光蛋白的基因序列整合到癌细胞中，让癌细胞发光。另外，这些荧光蛋白基因还会随着癌细胞的复制而复制，因此这些癌细胞的后代也能发光。梅特兰博士还需要一个特制的相机来追踪在人体内的发光癌细胞。不过他现在已经能够演示这样的实验了，即发红光的的癌细胞如何帮助研究前列腺肿瘤。而且在未来，通过追踪荧光或许能够揭开肿瘤在人体内扩散并恶化成癌症的机制。位于加州的Vantage Oncology，是一家专门提供癌症治疗的机构，他的首席技术官克里斯托弗•罗斯（Christopher Rose）说，生物荧光技术“在研究肿瘤方面是一个非常先进的方法。”

这种技术还可以用于外科手术。加州大学圣迭戈分校的阮权（Quyen Nguyen）是名外科医生，他带领了一个研究团队，该团队已经设计了一种照亮神经的方法，可以避免医生在手术中的误切而造成的永远性伤害。研究人员设计了一种分子，这些分子可以提前粘附在神经细胞上，并用荧光标记这种分子。当给小鼠注射这种分子时，它就会的扩散到动物的体内，这样全部的神经（虽然不是大脑和脊髓）就会在两个小时内散发荧光。并且这种荧光效应会在两小时内消失。这种技术已经证明可以在人体上应用，不过它还未通过正式批准。

五彩缤纷

生物荧光在医学上显然有的应用潜力。不过它在战争也有发挥余地。出于某种原因，至于那些还未能完全研究的许多海洋生物来说，荧光只是在受到打扰时有用。经常可以发现在晚上活动的潜水动物挥舞着耀眼的绿光武器。一些大型动物如游动中鲸和海豚当它们经过船只的时候，也会产生一种光。

海洋研究与保护协会的自然保护组高级科学家伊迪丝•威德（Edith Widder）说：“美国海军对于生物荧光的兴趣由来已久，在冷战期间，出于对潜艇的侦测，他们就开始了注意到了生物荧光技术。”实际上，早在第一次世界大战期间，德国最后沉没的潜艇就曾经在地中海受到过生物荧光的困扰，那些荧光生物附着在潜艇上，让潜艇发出的光足以在海岸上可以看到。这种荧光可以用来追踪潜艇并摧毁它。

威德解释道，具体来说，美国海军是希望能够观测某一特定位置的船只发出的荧光，进而了解这个船只是敌是友。因此她和加州大学圣巴巴拉分校（the University of California, Santa Barbara）的詹姆斯•凯瑟（James Case）一块，设计了一种装置，这种装置可以监测海洋荧光，具体的做法是通过一个格子吸收海水并激发其中的荧光生物让其发光，并测量这些生物发出的荧光。通过这种设备组成的网络可以监测那些难以发现的船只，或者发现那些来到海岸边的秘密特种作战部队。威德接着说，“第一个这样的系统的成本是50万美元，和一个摩托车的大小相当。”不过更新的版本和尺寸和一个垃圾箱差不多，只有1万美元。

生物荧光还可以用于监测污染。威德博士目前在研究一种叫做Vibrio fischeri的荧光细菌，这各细菌对于各种污染非常敏感。它在呼吸的过程中能发出荧光，并且当细菌在污染的环境中挣扎时，它的呼吸会受到抵制。通过监测这种细菌的荧光的强度，就可以更为简便地了解污染的。她说：“当所有的荧光都熄灭的时候，我们就知道事情不妙了。”

瑞士洛桑大学的凡德尔米尔（Jan van der Meer）认为通过用荧光细菌来监测污染的手段可以通过基因工程而更完善。他说，通过改造，当环境变得更具有毒性时，细菌的荧光变得更为整洁，更亮，而不是更黯淡。遗憾的是，目前还没有哪种生物有这种特性。不过，通过运用基因工程手段，凡德尔米尔和他们的情事已经将细菌新陈代谢的发光机制与处理污染结合了起来。与监测呼吸不同，通过监测这种发光效果，当污染程度增加时，生物体的荧光亮度会增加。

由于不同细菌对不同污染的敏感程度不同，因此，不同颜色的荧光可以用来显示特定的化学物质。凡德尔米尔就试想可以让那些通过基因修饰的细菌用于监测那些可能被化学品或石油泄漏浸染的可疑地点。他还说，“细菌还可能用来测试水样，细菌产生的荧光可以用快速分析，这样就不需要那些高端的检测仪器了。”另外，细菌还能够用于那些湿润环境中采样浮标，如此以来，就能定期从中央监测站了解到最新情况。

荧光的潜在生态效益并不局限于检测污染。2011年11月，英国剑桥大学的一个研究生团队开始迈向培育工程发光树的第一步，这种发光树可以取代路灯，进而会节省用电，减少二氧化碳的排放。他们从萤火虫和海洋发光细菌中提取基因，通过基因改造，就得到了一个“基因包”，这个“基因包”很容易让其它的生物体发光。“基因包”里包含有经修饰过的基因，并且能够让生物体重复利用氧化荧光素，这种次级代谢产物还可以用于二次发光。为了验证他们的方法，他们将基因加入了细菌，并且在烧瓶中的培育基产生了足够阅读书本的亮光。

发光植物的另一个用处就是可以指示作物的健康状况。英国分子诊断公司Lumora的生物荧光研究员劳伦斯•特期（Laurence Tis）说：“可以将荧光素加入植物体内，通过植物的发光程度就可以判断作物是否健康成长。”例如，当一个区域受到害虫的侵袭时，这个地区就会发出荧光，就可以适时地喷散农药。当植物需要灌水的时候，它们就会发出荧光，这样就可以让灌溉能够最低的限度。苏格兰爱丁堡大学（the University of Edinburgh）的研究人员已经培育出了类似的发光马铃薯。

即使如此，特斯博士对些还是持怀疑态度。他说，“我不确定哪种在黑暗能发光的作物符合消费者的利益，”一家位于北卡罗来纳州的私人生物公司BioLume认为，这种担心可以得到解决。生物荧光蛋白在食品工业中的应用正日趋广泛，并且有希望扩展到其他的产品方面，如发光的蛋糕糖衣，发光棒棒糖，发光口香糖等。BioLume这么说不无道理。毕竟在罗马时代，发光食品曾经独领风骚，随着生物荧光技术的发展，如今戏剧性的过程又将会重新到来。