原发表于自然科学基金委网站

http://www.nsfc.gov.cn/Portal0/InfoModule_375/50250.htm

      你是否还对电影《阿凡达》中那些发光植物所营造的奇幻场景记忆犹新？科学家告诉我们，如果发光生物的谜底最终被解开，人类真的能培育出发光树，让它无需供电即可呈现火树银花的景象。

　　近日，在国家自然科学基金等项目的资助下，中科院生物物理研究所研究员王江云和合作者一起，在蛋白质中光致电子转移和蛋白质可控荧光标记研究方面获得重要进展，相关研究近期两次在德国《应用化学》杂志发表。这些研究将一步步为我们点亮一个不一样的世界。

　　神奇的生物发光

　　“地球生命能量的来源都是太阳光，光被生物体的捕光分子捕获后，这些捕光分子相当于进入激发态，此时电子发生转移，从而产生电势差，将光能转化成生物可利用的化学能，推动光合作用等一些生命过程的进行。”王江云对《中国科学报》记者说，“我们也可以利用一些荧光蛋白作为光感受器，甚至可以利用这一机理模拟光合作用。”

　　生物发光即生物体自身通过化学反应发出可见光的现象，它将能量以光的形式释放，几乎不产生热量。研究表明，所有的细胞都能向外辐射电磁波，因此，从某种意义上来说，所有细胞都会发“光”，只是大多数是肉眼不可见或无法察觉的光。

　　生物发光现象看似十分神奇，但在自然界也十分普遍。发光生物几乎遍布地球的各个区域，从极地到热带，从海面到海底，地球上，有超过700个属的生物包含发光的种类，其中80%是海洋生物。非海洋生物的发光现象分布较少，但发光颜色却更加丰富。最为人熟知的陆上发光生物是萤火虫。其他的昆虫及其幼虫、环节动物、蛛类，甚至某些真菌都被报道有生物发光能力。在深海中，大约有90%的生物有发光的能力，其中，栉水母是含有发光种类最多的一个类群。

　　“此外，光合作用并非植物的专利。”王江云说，“动物的光合作用对公众来讲很新奇，其实发表于《科学》和《自然》上的一些文章已揭示了昆虫也可进行光合作用，通过光合作用直接从阳光中获取能量。”

　　点亮生命的秘密

　　“电子传递（ET）涉及生物体内许多重要的生化过程，包括光合作用等。如何改造生物元件实现高效可控的光致电荷分离，是利用合成生物学手段生产可再生能源的重要问题和主要瓶颈。”王江云说。

　　研究人员将具有金属螯合能力的非天然氨基酸通过基因密码子扩展的手段定点插入到绿色荧光蛋白，首次实现了在荧光蛋白发光中心至铜离子之间的快速光致电子转移，并测量到电子转移发生在1 纳秒之内 （接近光中心的速度）。这些新方法为蛋白动态构象变化研究提供了新的研究手段，为利用合成生物学手段生产可再生能源提供了新的研究思路，为金属蛋白设计提供了新的工具。

　　在王江云和合作者——中科院生物物理研究所研究员龚为民研究组发表在德国《应用化学》杂志的论文中，还提出了水母绿色荧光蛋白可能是水母的光感受器的新观点。

　　美国普林斯顿大学教授Haw Yang认为，非天然氨基酸编码技术对生物物理学—蛋白质研究领域的研究人员将提供一个非常有价值的工具，该团队发表的文章“是推动该领域发展的研究之一，因为使用铜作为淬灭剂，可以极大地拓展基于距离测量的工具包”。

　　美国马萨诸塞大学化学与生物化学系教授郭茂林认为，了解生物电子转移的机制，已被证明是一个具有挑战性的和复杂的科学问题。……这种基因编码的策略绝妙的地方在于，它为在活细胞中的蛋白质实时监控电子转移提供了机会，而这将更加精彩。

　　北京大学教授、生物物理化学家高毅勤说：“光致电子转移对蛋白质动力学的研究是一个非常有用的工具，但其应用一般限于相对简单的系统。这项工作很好地将金属离子螯合氨基酸到蛋白质，从而为蛋白质动力学研究提供了一个新的策略。这样的方法可能显著提高PET在蛋白质动力学研究中的适用性。”

　　王江云等人在蛋白质中光致电子转移方面取得的最新进展，为研究生物大分子中的光致电子转移现象，及利用生物元件实现高效可控光致电荷分离提供了有力的工具。而王江云研究组和林庆研究组的另一项成果则通过扩展基因密码子，实现了具有光点击活性的非天然氨基酸环丙烯赖氨酸在哺乳动物中的基因编码。从而实现了时空可控的对哺乳动物细胞内蛋白特异位点的标记。这一方法为哺乳动物细胞中蛋白时空可控的蛋白标记提供了新的策略和手段。

　　“通过进一步揭示光致电子转移的机理，我们希望在不久的将来，能把一些模式生物，如不能进行光合作用的大肠杆菌，转化成能进行光合作用的生物，这会有很好的应用前景。”王江云说。

　　从用发光生物作为最原始的照明工具，到利用绿色荧光蛋白标记细胞内组分；从对生物发光机理的探究，到荧光蛋白种类的开发，生命的秘密将被一步步点亮。