抬头仰望蓝天时，你是否会想，夜晚看到的星星去了哪里？它们还在那里，只是我们看不见。萤火虫掠过田野，白天我们看不见它，到了夜晚却能轻易发现它闪烁的光。同样，活细胞内的蛋白质、病毒、寄生虫和细菌，在正常条件下肉眼都看不见。但一种利用荧光蛋白的技术，能像微型手电筒一样，照亮细胞内分子的运作机制。
自然界中发现的第一种荧光蛋白来自维多利亚多管水母， Aequorea victoria，它负责产生其光器官发出的绿光。这种蛋白名为绿色荧光蛋白（GFP）。我们不知道这些水母为何具有这种发光特性。
荧光蛋白吸收蓝光等短波长光线，随即以另一种颜色、波长更长的光线（例如绿光）将其释放出来。在 Aequorea victoria中，一种名为水母发光蛋白的蛋白质会产生蓝光，绿色荧光蛋白则将其转化为水母光器官发出的绿光。在标准条件下就能看到这种现象极为罕见；大多数其他生物的荧光蛋白只有在外部蓝光源照射下才可见。
继绿色荧光水母蛋白之后，人们又在自然界发现了许多其他荧光蛋白，也在实验室中创造出许多种类。如今，我们拥有一系列荧光颜色，可让此前不可见的生物结构和过程以绚丽的荧光呈现出来。依托这些颜色的新应用也在不断发表。
培养皿中的细菌菌落表达着不同颜色的荧光蛋白。
Paul Steinbach 和 Roger Y. Tsien，加州大学圣迭戈分校， CC BY-SA
为成像照亮道路
荧光蛋白技术还促成了许多有趣的新进展，旨在利用这些发光分子改进成像技术。
CaMPARI 是一种新技术，是 calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator（钙调控光激活比率积分器）的缩写。神经细胞发送信号时，钙浓度会发生变化；利用这一点，CaMPARI 能够 让所有曾经放电的神经元发光 ，从而在活体生物中进行观察。这项技术基于一种名为 EOS 的荧光蛋白，它会由绿色荧光变为红色荧光。在果蝇、斑马鱼和小鼠中，经过 CaMPARI 基因改造的神经元若处于活跃状态就会发出红光，活跃程度较低时则呈绿色。
幼年斑马鱼脑中的 CaMPARI 荧光；洋红色神经元是在鱼自由游动时标记的活跃神经元。
Looger 实验室（HHMI/Janelia），《科学》，第 347 卷，第 6223 期。
在 CaMPARI 出现之前，所有可用的荧光钙指示剂都只会在神经元放电时暂时发亮。它们无法记录神经元的放电历史，也无法指示神经元过去是否放电过。参与 CaMPARI 开发的研究人员之一 Loren Looger 表示：“这项技术最重要的优势或许在于，实验过程中不必把生物体放在显微镜下。因此，我们现在可以 观察神经活动 ，比如观察在培养皿上爬行的蝇类幼虫，或在容器中游动的鱼。”
扩展并透明化大脑
即使借助荧光蛋白发出的光，要对深藏在大脑中的神经元进行成像仍然很困难。麻省理工学院神经科学家 Ed Boyden 创造了一种扩展大脑的方法，让深处的荧光神经元更容易观察。他使用丙烯酸酯形成致密网状结构，将大脑固定在原位，并使其在遇水时扩展， 从而使大脑 在各个方向上均匀膨胀约 4.5 倍。这很像尿布遇水后膨胀。Boyden 认为，这种“扩展显微术或可成为进行 全面、精确、覆盖整个神经回路的大脑绘图的一项关键工具。”
CLARITY 处理前后的完整成年小鼠大脑。
Deisseroth 实验室
扩展显微术如此有用的原因之一，是大脑可以先变得透明，再被放大数倍。2013 年，斯坦福大学的 Karl Deisseroth 和 Viviana Gradinaru 发表了一种名为 CLARITY 的方法，该方法能去除脂肪等不透明分子， 使大脑变得透明 ，同时不改变其形状。美国国家精神卫生研究所所长 Thomas Insel 表示：“这或许是数十年来 神经解剖学研究领域最重要的进展之一 。”在将 CLARITY 用于大脑之后，Gradinaru 又把这一方法扩展到所有其他器官，包括 整只小鼠。
这两种方法都可用于经过荧光蛋白基因改造的大脑，从而观察深藏在大脑中的神经元。
由 GFP 标记的小鼠神经元。
Wellcome Images， CC BY-NC-ND
2008 年，三位科学家因从水母中提取 GFP，并将其发展为全球超过一百万项实验中常用的工具，获得了 第 100 届诺贝尔化学奖。2014 年，另外三位科学家因利用荧光蛋白 提高光学显微镜的分辨率而获得诺贝尔奖。
革命性且坚韧不屈
自荧光蛋白于 1994 年首次用于成像技术以来，我一直在研究其光化学和光物理学；我已 为此撰写了两本书 ，但它这种相当简单的蛋白质仍能有如此多样的用途，依然让我惊叹。质粒 DNA 分子编码 GFP，并在太空飞行后仍能存活——这或许不该令我惊讶。它们并非位于火箭内部，而是在外部暴露于 1800F（1000C）的高温和剧烈摩擦之中。在 TEXUS-49 火箭任务中，有意放入螺钉头内的 DNA 中，53% 在返回地球后被置入细胞时，表达出了完全荧光的 GFP 。
如同夜空中的星星，荧光蛋白在过去 20 年里一直照亮着科学。不久之后，它们将引导外科医生在手术中找到肿瘤组织，并帮助研究人员选择性地开启和关闭生物分子过程。
本文与 The Conversation合作发表。发表本文并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Marc Zimmer，化学教授及研究院长，任职于 康涅狄格学院
图片：多种荧光蛋白照亮人类脑干中的细胞。Jeff Lichtman/哈佛大学。
