让萤火虫透视我们的身体

宋雯

漆黑森林中，一群群闪着明黄亮光的小生灵翩翩起舞；浩瀚深海中，一盏盏五光十色的“小灯笼”来往穿梭，这些会发光的生物撕碎了黑暗的一角。

2008年，三名科学家找到了生物发光的秘密武器——绿色荧光蛋白（GFP），从此，发光不再是萤火虫、深海鱼等生物的专属，那些原本不发光的生物也能发出自己的光芒了。更让人兴奋的是，荧光还照亮了许多医学领域的黑暗，给绝症患者带来了一抹微光。

发现荧光蛋白

美国西岸的太平洋中，生活着一种水母，叫作维多利亚多管发光水母，它平时是一只透明色的普通水母，但是它在受到惊吓时，伞状体的底部会亮起一圈绿色的荧光，活像一盏圆形的LED灯。

科学家发现，维多利亚水母与萤火虫的发光原理很相似，它们都有一类被称作萤光素的化学物质，萤光素在荧光素酶的催化下与氧气发生反应，反应过程中消耗能量，释放光子，光子进入眼睛，就转化成了我们看到的可见光。

但维多利亚水母发出的绿光与萤火虫的黄光为什么不一样呢？这是因为维多利亚水母有一种被称为绿色荧光蛋白（GFP）的神器，GFP不需要酶的催化和其他反应条件，当有紫外线和蓝色光等光源照射到GFP时，它就会发出绿色的光。因此，维多利亚水母通过荧光反应发出蓝光，蓝光被GFP吸收，就反射出了我们看到的绿光。

1974年，日本科学家下村脩和美国科学家约翰逊等人从维多利亚水母的体内提取出了GFP。找到了GFP后，科学家们又发现，运用转基因技术，将GFP的基因转到其他生物体内，当有紫外线或蓝光照射时，其他生物也能发出绿光。1994年，美国华裔科学家钱永健改造了GFP的结构，使得它能反射出彩虹般多彩的颜色。

从此，科学家们获得了一种“跟踪神器”，只要在不同细胞中转入不同的GFP基因，就能同时追踪不同组织细胞的发生、发育和转移过程，这样，许多疾病的发展过程，就变得“肉眼可见”了。

追踪疾病发展

阿尔兹海默症俗称老年痴呆，它是一种由于蛋白质错误折叠引起认知障碍、记忆丧失等症状的神经疾病。我们现在说起病因很简单，但如果没有GFP的帮助，也许科学家到现在还不知道阿尔茲海默症的病因。

1907年，德国科学家阿洛伊斯·阿尔兹海默首次发现了阿尔兹海默症的病原体，他在一个过世的患者的脑中发现了神经元中的缠绕在一起的蛋白质。但是这些蛋白质为什么会缠绕在一起，它们发生了什么变化，根本无从得知。1988年，剑桥大学MRC分子生物学实验室的研究人员首次发现，阿尔兹海默症患者大脑中缠绕的蛋白质是一种细丝状的Tau蛋白，从此，许多科学家都开始探索Tau蛋白的致病机制，其中，荧光蛋白技术帮了大忙。

2016年，美国明尼苏达大学的研究小组用荧光蛋白标记跟踪并比较了正常大鼠和Tau蛋白突变的大鼠的海马区神经元，结果发现突变的Tau蛋白并不会发生聚集，反而比正常的Tau蛋白更短，更容易从树突上脱落。他们认为，是变短的Tau蛋白无法执行正常功能才引起了阿尔兹海默症。

但美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队却有不同看法。2019年，他们给Tau蛋白“装上”了改造过的GFP，只有那些错误折叠和聚集的Tau蛋白才会让GFP暴露出来，从而发出荧光。结果从病人脑中提取出来的神经元出现了许多荧光点，这表明阿尔兹海默症的病因确实与Tau蛋白的错误折叠脱不开关系。

阿尔兹海默症的病因到现在仍然没有定论，但相信GFP发出的荧光终将指引我们找出真相，同时也会照亮我们寻找特效药的道路。而且，不只对阿尔兹海默症的研究有作用，在心血管疾病等器官病变、艾滋病等病毒性疾病的病因追踪中，GFP同样有重要作用。

引爆肿瘤细胞

除了能给细胞们染色，荧光蛋白还能成为“放大镜”，将光能聚集在坏细胞上，最终引爆它们。英国伦敦大学学院的肿瘤学家西奥多西斯·特奥多索就运用这个方法杀死了癌细胞。

光动力疗法是一种利用光敏剂和激光高效地杀灭肿瘤细胞的方法。医生们先将光敏剂注射到血液中，癌细胞能比正常细胞吸收更多光敏剂，然后用激光照射病灶。在激光的作用下，光敏剂会发生化学反应，释放活性氧杀死癌细胞。此前，特奥多索一直在尝试用光动力疗法治疗癌症，但很快，光动力疗法的局限就暴露了：激光不能照入皮下1厘米以下的地方，也就是说它对身体内部的肿瘤和已扩散的癌细胞作用都不大。

如何扩大光动力疗法的作用范围呢？特奥多索冥思苦想，这时候荧光蛋白又帮了大忙。他的研究团队将萤火虫的荧光素酶基因和荧光素基因都转移到癌细胞中，这样癌细胞就变成了一个个会发出黄光的“小灯泡”，当对这种黄光敏感的光敏剂被注射入血管时，它会自发在发出黄光的癌细胞附近发生反应，产生活性氧，杀死癌细胞。研究团队已经证实，这个被称为“萤火虫技术”的方法对杀死前列腺癌的癌细胞是有效的。

现在，特奥多索团队还在寻找杀伤作用更强的光敏剂，比如一种只对蓝光敏感的光敏剂，它被证实对脑癌癌细胞也有很强的杀伤力。最近，巴西圣保罗大学的生物学家在巴西大西洋森林中找到了一种会发出蓝色荧光的昆虫，它的荧光素基因也许将成为特奥多索装到癌细胞上的下一个“灯泡开关”。

小小的萤火虫，不起眼的发光水母，谁能想到它们会给我们的医学带来这样大的变化？

（亚白摘自《大科技》2020年第9期）