科学家将发光蛋白亮度提升10倍 更有利于生物学观察
2016-12-20 14:39:09   来源:新华网
内容摘要
大阪大学研究人员指出,该校产业科学研究所曾经研发出“纳米灯笼”的研究小组对这种蛋白进行了改良,添加了来自一种深海虾的荧光蛋白,使得“纳米灯笼”发光的颜色从3种增加到5种,亮度也增加了2到10倍。另外,最新一项研究表明,水母荧光蛋白插入大肠杆菌基因组,通过转基因大肠杆菌可以产生增强型绿色荧光蛋白,从而首次产生一种新的激光。

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荧光蛋白在某种定义下可以说是革新了生物学研究——运用荧光蛋白可以观测到细胞的活动,可以标记表达蛋白,可以进行深入的蛋白质组学实验等。

2012年和2015年,日本大阪大学研究人员曾将一种名为“海香菇”的海洋生物荧光蛋白和来自水母的荧光蛋白相结合,开发出了不需要紫外线照射即可发光的高亮度化学发光蛋白,并将其命名为“纳米灯笼”。

日本研究人员通过改良化学发光蛋白,最新研发出增强型发光蛋白,发光亮度是先前的2到10倍,有望用于较为复杂的生物学观察和药物研发等。

大阪大学研究人员在最新一期《自然·通讯》杂志上报告说,该校产业科学研究所曾经研发出“纳米灯笼”的研究小组对这种蛋白进行了改良,添加了来自一种深海虾的荧光蛋白,使得“纳米灯笼”发光的颜色从3种增加到5种,亮度也增加了2到10倍。

利用新开发的增强型发光蛋白,研究小组成功地同时观察了细胞内5个细微构造,还首次成功观察到蛋白质分子的结合与分解过程。研究人员表示,多颜色增强型发光蛋白将大大方便对各种生命现象的立体观测。

20世纪60年代,科学家偶然在水母中发现一种在紫外光下发出强烈绿光的蛋白,这就是绿色荧光蛋白。科学家随后对荧光蛋白进行改造,让它们不仅荧光更强,而且除绿色外,还可以呈黄色、蓝色、甚至变色;无需紫外线照射就能发光的发光蛋白也被研制成功,荧光蛋白和发光蛋白成为现代生命科学和医学研究最重要的研究工具之一。2008年诺贝尔化学奖就授予了发现及推广绿色荧光蛋白的3位科学家。


日本研制发光蛋白 将用于“照明”人体内部器官

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据俄罗斯媒体2015年3月25日报道,日本大阪大学与日本理化学研究所的科学家经过一系列实验成功研制出发光蛋白。这种蛋白可以用于医学研究。尤其在检测肿瘤及其它疾病时,这种蛋白往往很有必要,可有助于“照明”人体内部器官。

这种新的检测疾病方式与X光透视的区别在于其绝对的安全性,且在较短时间间隔内可被使用好几次。此外,这种蛋白完全没有毒性。因此,这种监测方式的应用能够持续监控人体体内发炎过程和肿瘤的发展情况。根据蛋白的种类,它可以呈现出绿色、黄色、或浅蓝色。

由于以往研制出的荧光蛋白发光力弱,且会被血红蛋白完全吸收。日本科学家们把两种医学中常用的看起来像水母和海藻的生物聚合物进行了“杂交”。随后他们又在“杂交”的物质中加入蓝绿色的植物色素。结果这使蛋白的发光度提高了20倍。

大阪大学教授、该研究项目负责人称:“未来这种技术也可被用于街道照明。若这种荧光蛋白能成功植入树体,全世界的城市面貌将发生变化,普通路灯就没有必要存在。”


科学家成功研制新的细胞成像工具——红色荧光蛋白

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经过多年的尝试,生物学家成功地在实验室中研制出了一种非常明亮的红色荧光蛋白。对于研究人员——包括癌症和干细胞研究人员来说,这是一个好消息,因为他们使用荧光蛋白来跟踪基本的细胞过程。荷兰阿姆斯特丹大学、法国格勒诺布尔大学结构生物学研究所和欧洲同步辐射中心的研究人员,在最新一期的Nature Methods杂志上描述了这种方法。

生物学家通常采用一种技巧来了解一个人类细胞是如何分裂、分泌一种激素,或者如何向另一个细胞发送一个信号。他们在感兴趣的蛋白质上附加上彩色的光线,以便在显微镜下追踪活体细胞的运动和相互作用。他们使用的光的颜色越多,他们可以同时跟踪的进程就越多。

在20世纪90年代,科学家们首次使用一种荧光蛋白作为细胞的颜色代码,这种蛋白质是绿色的,起源于一种荧光水母(相关阅读:诺贝尔奖让碗水母在日本从“丑小鸭变天鹅”)。在随后的几年里,通过调整这种绿色的蛋白,科学家们开发出蓝色、蓝绿色和黄色的变体。


蛋白mScarlet

在这项研究中,分子细胞学教授Dorus Gadella和研究人员Daphne Bindels、Lindsay Haarbosch,成功地制备出了一种非常明亮的红色荧光蛋白。他们把这种蛋白称为mScarlet,并期望它能被世界各地的研究小组使用,例如,来更好地了解细胞过程的破坏如何导致癌细胞中发现的不受控制的细胞分裂。Gadella指出:“正如其他人研究星星和准备未来到火星旅行一样,我们正在探索,调节我们体内细胞过程的蛋白质‘宇宙’。”

该研究小组通过比较来自珊瑚的一系列红色荧光蛋白的基因蓝图,研制出了mScarlet。他们搜索持续发生在各种遗传密码中的序列,因为这些显然是不可缺少的。该研究小组组装了这些代码的基本片段,然后有公司合成了一条完整的DNA链。他们把合成的DNA引入到一种细菌中,并将其转化成一种蛋白质。

他们利用显微镜,评估了通过这种方法所产生的每个蛋白的亮度,然后对DNA代码进行了更多修改,观察所做的修改对亮度有何影响。整个过程是一种基于实验室的进化实验,这让Gadella和他的同事们制备出了mScarlet——具有最高亮度的蛋白。

这个亮度将让细胞显微镜运行良好,因为它确保了科学家们所研究的蛋白质的可见性。此外,mScarlet是一种理想的照明剂,因为它不影响所标记的蛋白质的功能。

目前,科学家将水母荧光蛋白插入转基因大肠杆菌,可产生增强型绿色荧光蛋白,制造出一种新的激光。


科学家利用水母荧光蛋白制造出一种新激光

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科学家混合纳秒光脉冲和电子能制造微粒,通过转基因大肠杆菌制造出绿色荧光蛋白膜,最终可以转变成一种新的激光。

据美国媒体报道,目前,最新一项研究表明,水母荧光蛋白插入大肠杆菌基因组,通过转基因大肠杆菌可以产生增强型绿色荧光蛋白,从而首次产生一种新的激光。

这种创新研究代表着极化激元激光(polariton laser)研究领域的一个重大突破,其效率和光密度远大于传统激光,有望开启量子物理学和光学计算的新途径。传统极化激元激光使用无机半导体作为增益介质,但必须达到极低温度条件,近期更多的有机电子材料,例如:有机发光二极管(OLED)显示器,能够在室温下操作,但是需要皮秒(万亿分之一秒)光脉冲提供能量。

通过改变水母荧光蛋白的用途,可使科学家监控细胞内部的进程,研究小组在室温条件下研制了一种极化激元激光,但只需要纳秒(10亿分之一秒)光脉冲提供能量。英国圣安德鲁斯大学物理和天文学分校马尔特-加特(Malte Gather)教授是这种激光的发明者之一,他说:“皮秒光脉冲是一种适当的能量,它是纳秒光脉冲的千倍等级,并且很难制造,因此采用纳秒光脉冲能够非常显著地简化制造极化激元激光。”

混合光脉冲和电子能制造的微粒可通过大肠杆菌制造出绿色荧光蛋白膜,加特指出,在此之前水母荧光蛋白质可作为活体细胞或者组织的一种标记物,但是目前研究人员开始使用它们作为一种材料,研究首次表明它们的分子结构真实趋向于高亮度操作,例如:将它们转变成为激光。

加特和德国维尔茨堡大学的研究同事基因改良大肠杆菌,使它们能够制造出增强型绿色荧光蛋白(eGFP)。研究人员使用这种蛋白质填充了光学微腔,之后提交它们至“光泵”,在这里纳秒光脉冲可使整个系统达到形成激光的能量要求。更重要的是,当到达极化激元激光阈值,将泵送更多能量进入设备,从而制造传统激光。目前,这项最新研究报告发表在2016年8月19日出版的《科学-进展》杂志上。

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