綠色螢光蛋白

綠色螢光蛋白 (Green Fluorescent Protein)
國立臺中第二高級中學生物科何宸岳實習老師/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

綠色螢光蛋白（Green fluorescent protein,簡稱GFP）被喻為「生命科學研究的標準配備」，為生命科學的研究與應用帶來革命性影響，不但提升活體觀察的技術，也帶來人性化實驗倫理的實踐可能。原因是GFP在過去這十年，為生化學家、生物學家、藥物學家以及其他的科學研究者扮演了一盞明燈的角色。這個蛋白在藍光或是紫外線的照射下會顯現出鮮明的綠色，例如它可以讓正在生長的癌症腫瘤發光；顯示阿茲海默疾病在腦部的發展狀況或是病原菌的生長等。

今年的諾貝爾化學獎的得主下村脩、馬丁查菲(Martin Chalfie)與錢永健，正是在綠色螢光蛋白質研究與應用上非常出色的科學家。下村脩是首先由上萬隻Aequorea Victoria水母體內萃取出能發出天然螢光蛋白質的科學家，隨後這種能發出綠色螢光的蛋白質稱為綠色螢光蛋白－GFP。他的研究顯示GFP具有一個特殊的發色團（chromophore），亦即一種會吸光與放光的化學官能基團。當紫外線或藍色光照到這個GFP的發色團時，它會吸收光線的能量而被激發，下一刻發色團以放光的方式釋放出能量，而這個光線是在綠色的波長。馬丁查菲則是第一個將GFP基因轉殖於線蟲的科學家，雖然它僅具有959個細胞，但這種線蟲的基因有三分之一是與人類的基因相關，而且蟲體是透明的，這使得研究者能輕易的透過普通的顯微鏡來研究它的組織與胚胎發育。錢永健則是創造了一個具有像彩虹般各種顏色的調色盤，他在GFP革命中的偉大貢獻在於延伸了研究工作者的調色盤，提供了許多新的顏色，延長了放光的時間並增強了亮度。藉著改變發光機團的胺基酸組成，錢永健發展出GFP的變體，能閃耀出更強的各種光，例如青綠色、藍色和黃色。這就使得現今的研究者能讓不同的蛋白質標記上不同顏色，來檢視它們的相互作用。最著名的研究是使一個老鼠的腦部同時表現出不同顏色的螢光蛋白，而拍出來的照片如同彩虹般的各種顏色，稱之為腦彩虹。

GFP發光的機制與螢火蟲發光機制不同。前者是透過照射紫光或藍光後，發光基團被激發而變為激發態，隨後又恢復成基態，過程中釋放的能量以螢光形式呈現；後者發光機制則是透過酵素與受質間的作用，產生能量而發光。

GFP的基因目前被廣泛運用許多生化研究的領域上，最常被作為基因轉殖的報導基因（reporter gene），甚至應用在井水中砷的感測。研究者將GFP基因轉殖到對砷有抵抗力的細菌，使得它在砷存在時會發出綠色螢光。科學家也修飾了其它的生物，當感測到具爆炸性的TNT或一些重金屬如鎘或鋅的存在時會發出綠色螢光。現在甚至於有些含GFP的玩具，能在黑暗中發光。