天津大学最新Nature子刊文章

　　

生物通报道：来自天津大学，南开大学生命科学学院的研究人员发表文章报道称增强型绿色荧光蛋白的荧光会由于激光而被关闭，这种特殊的激光即飞秒激光，是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，研究人员还通过癌细胞的系列离子进程验证了这一点，相关成果公布在Nature Photonics杂志(影响因子为29.2)上。

文章的通讯作者是天津大学的王清月教授，以及贺号副教授（同时也是第一作者），其他研究人员包括南开大学生命科学院曹又佳教，天津大学博士研究生王劭阳，胡明列教授，研究得到了国家科技部973计划和自然科学基金委的资助。

绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein，GFP）是生物化学和细胞生物学研究中常用到的一种探索蛋白，这种蛋白能通过光激发发出荧光，指示基因表达，所以被称为报告基因。之前华裔科学家钱永健曾由于这一领域的研究获得了诺贝尔化学奖（近期钱永健研究组也取得了最新的成果，详情请见：华裔师徒二人Nature获技术突破）。

激发GFP的光一般是激光，而此项研究采用了一种称为飞秒激光的光源，飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1／1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，由于具有快速和高分辨率特性，在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

在这篇文章中，研究人员在之前研究的基础上，发现一定参数的飞秒激光对细胞的刺激可以排空内质网上的钙存储，从而使得细胞膜上钙通道的打开。这是世界上首次实现了激光对于钙存储调控的钙通道（CRAC）的控制。

并且研究还通过进一步的研究表明细胞内的钙浓度异常升高会导致活性氧自由基簇的升高，从而使得GFP被氧化漂白，这种漂白来自于GFP蛋白质结构发光基团的变化。

由此研究人员指出，通过癌细胞相互作用时一系列离子过程的变化，证明了飞秒激光可以调控这些变化，并且这种可控性可以对细胞内表达的绿色荧光蛋白在绿-红荧光转换中起到精确的调控作用。从而首次证实飞秒激光可以可控性地定量调节细胞内的多种离子，对于未来的光控细胞过程和疾病治疗具有重要价值。

绿色荧光蛋白的改造道路漫长又重要，钱永健曾完成了单点突变（S65T）。这个突变显著提高了GFP的光谱性质，荧光强度和光稳定性也大大增强。之后研究人员还研发出了蓝色荧光蛋白（EBFP, EBFP2, Azurite, mKalama1）、青色荧光蛋白（ECFP, Cerulean, CyPet）和黄色荧光蛋白（YFP, Citrine, Venus, Ypet），红外线荧光蛋白。

而利用激光来检测细胞膜上的蛋白和其它多种生物分子也是取得了不少成功，例如去年范德比尔特大学研究人员开发出一种新型激光技术，可检测细胞膜上的蛋白质和其它多种生物分子之间的相互反应。这种检测将在药物开发进程中发挥重要作用。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Manipulation of cellular light from green fluorescent protein by a femtosecond laser

Green fluorescent protein (GFP) is one of the most widely studied and exploited proteins in biochemistry and cell biology1. It emits fluorescence following optical excitation, which is usually provided by a laser2, 3. Here, we report that fluorescence from enhanced GFP can be ‘turned off’ by exposing cells to laser light. A short flash of femtosecond laser light is shown to deplete calcium in the endoplasmic reticulum of cells. Calcium-release-activated calcium channels are then activated by stromal interaction molecule 1 (STIM1). The rise in intracellular Ca2+ depolarizes mitochondria and increases the leakage of reactive oxygen species, which then permanently bleach the GFP. This controllable optical scheme for reactive oxygen species generation can also be used to modulate the photoconversion4 of GFP fluorescence from green to red emission and provide a mechanism for influencing cellular molecular dynamics.