钱永健:一生钟情于美丽颜色

2008年10月8日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，下村修、马丁?查尔菲与钱永健三人“因为发现和应用绿色荧光蛋白而共同获得2008年诺贝尔化学奖”。钱永健是继李政道、杨振宁、丁肇中等后又一位诺贝尔奖华人得主，他的工作和取得的成绩值得我们炎黄子孙骄傲。

从小喜欢美丽的颜色

钱永健曾经说：“我从小就喜欢画画，也喜欢美丽的颜色。8岁那一年，爸妈送给一盒化学工具箱，我把不同的化学物质混合成漂亮的紫色，这就是我的第一个实验。”钱永健在不同的场合，经常提到他从小就喜欢美丽的色彩，这对于他今后的科学研究起了很重要的作用。例如在获得诺贝尔化学奖以后到台湾中研院演讲时，他的第一句话就是“我从小就喜欢色彩”，在听众中引起一片笑声。

在《自传》中钱永健又写道：“我最初的记忆可能是在3～4岁的时候，我就喜欢画一些想象中的城市，画中有蓝天下的高速公路，和街道下的隧道。也许这是我后来着魔于桥梁建筑和喜爱绘制地图的最初信号。”

钱永健小的时候因为身体不很好，有气喘的毛病，不能像两个哥哥那样常常在屋外玩耍，多半时间只能呆在室内，于是他的父母为他买来一套“吉尔伯特化学实验设备”。大约在8岁上小学的时候，他做了他有生以来的“第一个实验”。但是他觉得这些实验太单调乏味，无法吸引他。他喜欢在学校图书馆里翻阅化学书籍，有一次他惊喜地发现一本介绍初级化学实验的书，上面有一些十分吸引人的实验和插图。钱永健说：“遗憾的是，我现在忘记了这本书的书名和作者，不过我8岁那年前后，我在一个笔记本上画了许多实验草图，这本笔记本现在放在诺贝尔博物馆里。”

据钱永健回忆，其中有两个实验他记得十分清楚：其中的一个是把某种金属盐的晶体（例如硫酸铜CuSO4）滴入硅酸钠溶液，最后会变成发光的紫红色染料。另一个实验是把一种强碱（例如氢氧化钠NaOH）的含水溶液，与稀释的高锰酸钾混合，于是溶液呈现出美丽的深紫色；如果再把这种深紫色的溶液流过一个纸做的圆锥形漏斗，溶液的颜色会变为漂亮的绿色（这是因为植物纤维丛的还原作用使MnO4-变成MnO42-）。

有意思的是，在获得2008年诺贝尔化学奖以后，他在瑞典斯德哥尔摩电视上重复了“这一惊奇而少为人知的”演示实验，他兴致勃勃地对听众说：“我想以此说明是什么原因使我对化学感到兴趣。正是这两个试验使我早年和此后一生钟情于美丽颜色（pretty colors）。”

对荧光的研究

人类观察并注意到生物发出荧光有久远的历史。在中国古诗里，常常可以见到诗人对萤火虫的生动描述，例如（唐）白居易在《长恨歌》里写道：“夕殿萤飞思悄然，孤灯挑尽未成眠。”杜甫在《萤火》一诗里写道：“巫山秋夜萤火飞，帘疏巧入坐人衣。”（宋）贺铸在《宿宝泉山慧日寺》里写道：“流萤逗深竹，白鸟巢青松。”

除了萤火虫发出荧光以外，还有海中的“发光水母”也会发出荧光。例如在公元77年，古罗马的普林尼（Pliny）在死前不久发表的37卷《自然史》里，就有对“发光水母”的记载。

但是对于荧光的深入研究，却是20世纪50年代以后的事情。人们熟悉的萤火虫，或者其他生物如发光水母发出的荧光，都是通过“荧光素”这一“底物”分子，在荧光酶（lucifera）的催化作用下氧化而发光的。但是后来发现的绿色荧光蛋白（GFP），却与氧化机制完全不一样，蛋白质本身就会发光，不需要底物。

在关注绿色荧光蛋白（GFP）之前，钱永健曾经设想，如果细胞自己能带有荧光岂不更好？也就是说如果自行编码后的蛋白质对钙敏感的话，很有可能达到他设想的目的。他在网上找到了十几篇相关的论文，发现有人在水母里面发现了绿色荧光蛋白，并由一位名叫普拉瑟的科学家克隆出来了。这项成果发表在《基因》杂志上。于是，钱永健立即打电话给普拉瑟：“我很感兴趣您的荧光蛋白基因，您可不可以把它提供给我？”普拉瑟真是出人意外地慷慨，只提出以后在钱永健发表第一篇论文上挂上他的名字就行。钱永健惊喜之余说：“我找到了他的电话号码并最终找到了他，令我非常惊异的是，他乐意将基因给我。”资料很快寄了过来。像哥伦比亚大学的查尔菲（这次诺奖的另一得主）一样，从1994年起始，钱永健的研究顺利地开展起来，并做出许多重大突破。

钱永健是一位化学家，他在得到普拉瑟的GFP基因后，立即开始研究这种蛋白质的发色团的结构。他首先要知道的是：这个发色团在GFP的238个氨基酸中发生了怎样的生化学反应。以前的研究一般都认为它能产生荧光主要归功第65、66和67位的丝氨酸、酪氨酸和甘氨酸残基，它们彼此反应形成发色团。但是钱永健的研究却显示，这种化学反应只需要氧气，在氧分子的氧化作用下，以上氨基酸残基最终形成有活性的发色团。这一发现完满地解释了这种发光反应为什么不需要其他蛋白质的参与。

借助DNA技术，钱永健把GFP上不同部位的氨基酸进行重组，创造出崭新的GFP变体，使它们能发出更强、更多色彩的光，如青绿色、蓝色和黄色等。这样，研究人员就能够同时给不同的蛋白质标记上不同的颜色，从而可以动态地检测它们的变化以及相互之间的作用。

钱永健虽然扩大了色彩的范围，但是却无法得到发出红光的GFP，而红光更容易穿透生物组织，用处更大。幸运的是，两位俄罗斯科学家米哈伊尔?马兹和谢尔盖?卢克扬诺夫也参与了这场GFP的研究，他们在1999年从发出荧光的珊瑚中找到了6个与GFP类似的蛋白质，发现并克隆了第一个红色荧光蛋白DsRed。但是，这个红色的蛋白质太大而且太重，无法像其他GFP一样置入基因之中。钱永健的研究团队得知了俄罗斯科学家的研究成果后，通过基因工程改造了这种红色蛋白质，得到以该蛋白为基础的衍生体——新型红色荧光蛋白变体。它更小更轻，也能够置入到其他蛋白质中。现在世界各地实验室常用的发出红光的GFP，基本都是这种衍生体。

复旦大学生命科学学院生物物理系丁滪先生在文章“照亮生命的明星分子——荧光蛋白”中，对钱永健的贡献做了中肯的说明：“钱永健对于荧光蛋白的第一大贡献是改良和发明了大量的新型荧光蛋白衍生体。现在最广泛使用的绿色荧光蛋白衍生体eGFP，就是钱永健实验室的早期研究产物——当绿色荧光蛋白的第65位丝氨酸突变成苏氨酸（S65T）后，……其发光从400纳米的紫外光变成了480纳米的蓝光，……除了构建这一系列被广泛使用的荧光蛋白突变体外，钱永健还第一个提出了荧光蛋白发光团形成的机理，为后续的荧光蛋白改良工作提供了理论基础。1996年，钱永健和雷明顿（S. Remington）一起，首先解析了绿色荧光蛋白（S65T）的晶体结构。后来，钱永健进一步将绿色和红色荧光蛋白作为模板，创造了一系列的七彩荧光蛋白，这些荧光蛋白不仅仅覆盖了从紫外到红外光谱范围，而且具有更亮的荧光、更强的光稳定性。”