自带荧光棒的水母,为我们捧回一个诺奖

物种日历 2021-05-05 12:00

在一片漆黑的海洋里,一只章鱼正准备出来觅食。这一次,它准备捕食一些水母当做点心。


正在捕食水母的章鱼(误)| 海绵宝宝


得益于全球气候的变暖,水母在大海里变得随处可见。虽然水母水分很多,提供的热量很少,但是它们行动缓慢,很容易被抓到。而且水母可以被消化地很快,拿它们充当一顿果冻一样的点心是再合适不过的了。


像往常一样,这只章鱼慢慢地靠近了一只水母,正当它张开触手捕抓水母时,突然闪烁出了一道绿色荧光,刺破了周围的黑暗。


会发光的水母 | Sierra Blakely / Wikimedia Commons


这道光像是黑暗里闪烁出来的一条信号一样,告诉周围其他的猎食者:你们赶紧来啊,这里有你们想要的美食!


章鱼也察觉到了水流发生了变化,是有一只巨兽正在靠近!它来不及想太多了,急忙喷出墨汁后就溜了。


当一切都恢复平静之后,只有这只水母还在这片海域中,悠哉悠哉地游着。


依靠自己的绝技,水母逃之夭夭(大误)| 海绵宝宝


这只能发出绿色荧光的水母就是我们今天要介绍的维多利亚多管水母Aequorea victoria)。


多管水母 | jonathan diemel / unsplash

多管水母与海月水母

维多利亚多管水母最初发现于北美洲西海岸的维多利亚港,也由此得名。它们具有飘逸的触手以及透明而厚实的中胶层,伞体下方密集地排列着很多根辐管,多管水母的属名也由此而来。


维多利亚多管水母属于刺胞动物门水螅纲,不过与其他大多数水螅纲的水母相比,维多利亚多管水母是个大个头,它们的伞体直径能长到10cm。


海月水母 | Luc Viatour / Wikipedia


水族馆里常见的海月水母很容易会被我们误认为是维多利亚多管水母,虽然它们体型相似,但是两者之间有着根本的区别:首先,海月水母作为刺胞动物门钵水母纲的代表物种,它们体内的胃丝等结构是水螅水母所不具有的;此外,海月水母是不能够发光的,我们在水族馆里看到的流光溢彩的海月水母,都是加上灯光后的效果。


水族馆里海月水母 | 尼紫泰


真实的多管水母只能在伞体边缘发出绿色荧光 | nobelprize.org

多管水母与诺贝尔奖

如今我们知道,维多利亚多管水母可以发出绿色荧光是因为它体内含有绿色荧光蛋白(GFP),但实际上维多利亚多管水母不止会发出一种光。除了绿色荧光蛋白外,维多利亚多管水母体内还含有水母素(Aequorin)可以发光,这两种发光蛋白的区别在于,绿色荧光蛋白需要受到蓝光或紫外光的激发来发出绿色荧光;而水母素则需要受到钙离子的作用来发出蓝色光。所以,在文章开头中的故事中,当多管水母受到惊扰时,会先通过水母素发出蓝光,然后再经过绿色荧光蛋白转变为绿色荧光。


位于Friday Harbor Labs的GFP模型,这也是它被发现的地方

| Julian Voss-Andreae / Wikipedia


绿色荧光蛋白是在上世纪60年代被日本科学家下村脩(Qsamu Shimomura)等人发现的,真正让它名声大噪则是在1994年,美国科学家马丁·查尔菲(Martin Chalfie)通过将GFP基因在秀丽线虫体内表达,标记了秀丽线虫的部分神经元,并成功追踪其神经系统的迁移与发育过程。在此之后,绿色荧光蛋白便开始在科学界中广泛使用


用GFP标记的线虫显示出明亮的绿色荧光 | Science


随后,美籍华裔科学家钱永健(Roser Y Tsien)对GFP进行了进一步地改进和优化,开发出了能发出更多颜色的荧光蛋白,从而使得科学家们能够在同一时间追踪不同组织细胞的发生发育过程。


由于在该领域做出的杰出贡献,下村脩、马丁·查尔菲以及钱永健共同获得了2008 年度的诺贝尔化学奖。


下村脩(左)、马丁·查尔菲(中)以及钱永健(右)共获诺贝尔奖 | Nobel Media AB 2008

荧光蛋白的延伸应用

如今,荧光蛋白的应用早已变得触手可及,甚至我们只需要花几块钱就能买到可以发出荧光的斑马鱼。而在生物科学领域,荧光蛋白的应用也在继续扩展,Brainbow技术便是其中一项成果。


利用Brainbow技术得到的小鼠神经元图像 | Jeff W. Lichtman and Joshua R. Sanes / Wikipedia


Brainbow技术通过在单个神经元中随机组合荧光蛋白的三、四颜色的比例,从而可以用更多的颜色标记不同的细胞。这就好像可以通过调节红黄蓝三种颜色涂料的比例来调制出各种颜色,最终绘制出一幅图画一样。通过Brainbow技术的帮助,科学家们得以很好地研究神经元之间的相互连接,并通过分析神经图谱的差异来研究神经和心理疾病。


曾经,多管水母靠着身体里的荧光蛋白,在大海里发出了微弱的荧光,点亮了漆黑的大海。


照亮了生命科学的多管水母 | ecoxotic.com


如今,科学家们通过这种蛋白,让它发出的荧光照亮了生命的深处,使人们得以窥见生命的奥义。

水母

桃花水母

安娜赛斯霞水母

僧帽水母

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