科學家的「螢光筆」：自然界的燈光秀與科學奇蹟

海葵在LED藍光下螢光蛋白的表現。

文、圖 |  長庚科技大學中草藥研究中心助理研究員 張祐嘉

當我們在珊瑚礁海域潛水的時候，時常會驚嘆於海水與陽光交相呼應的美景，然而鮮少有人知道，當夜幕降臨，這些海洋生物會展現另一個樣貌。若是您有機會進行夜潛，在黑暗的海中，用特殊的手電筒照射海底，您將會看到一片燦爛星光，這片光彩來自於珊瑚、海葵或是其他海洋生物產生的螢光。

在陸地上會發光的生物並不多，最讓人熟悉的就是螢火蟲，或是雨後在墾丁社頂公園所看到的螢光蕈。但當我們將目光轉向海平面以下的世界，會發光的生物可就無所不在。多數的海洋生物都能夠發出螢光，這種生物螢光 （biofluorescence） 是透過螢光蛋白來產生，和螢火蟲的發光機制不同，生物螢光是透過接收得到藍光或紫光，這種高能量的光，將發光基團激發成為激發態，然後又恢復成基態，過程中釋放的能量以螢光形式呈現，所以當激發光源移開，螢光也隨之消失。而螢火蟲的發光機制是一種生物發光 （bioluminescence），牠是透過酵素與受質間作用，產生能量而發光。

海洋生物的「燈光秀」不僅美麗奪目，更是生物演化的精采篇章，它們產生的螢光蛋白有許多用途：有些是作為保護機制，使其在黑暗的深海環境中隱藏；有些則是用來吸引伴侶或捕食者，如花笠水母（Olindias formosus） 的觸手尖端的區域有大量的螢光蛋白，可以吸引小魚靠近增加捕食的機會，除了幫助生物捕食與禦敵外，更讓人想不到的是這些螢光蛋白還能成為藥物開發及生物醫學領域的工具，達到年產值數億美元的螢光蛋白標示市場。

細枝鹿角珊瑚（Pocillopora domicornis）在白光下的狀態。

石珊瑚在激發螢光蛋白表現後，觸手頂端為綠色螢光蛋白，紅色是共生藻（Symbiodinium sp.）色素的螢光。

螢光蛋白的發現到應用

2008年的諾貝爾化學獎授予了下村脩（Osamu Shimomura ）、馬丁查爾菲（Martin Chalfie）與錢永健三位科學家，以表彰他們在螢光蛋白研究方面的卓越貢獻。他們的工作不僅揭示了螢光蛋白的結構和功能，更開創了螢光蛋白在生物醫學領域的新應用。

下村脩是首位發現綠色螢光蛋白的學者，最早的研究構想來自於水母。1960年代下村接到一項要研究水母發光現象的任務，當年為了釐清發光的機制，全體研究團隊的夏天都待在美國西岸的聖胡安島（San Juan Island）上採集維多利亞管水母（Aequorea victoria）。這種水母體內的有一種發光器官，其產生的物質讓水母能發出藍色的螢光，研究團隊僅能從每隻水母體中分離出不到0.01毫克的物質。因此團隊在採集了10萬隻以上的水母後，終於發現這個發光物質是一種蛋白質，並將其命名為水母素（aequorin）。

水母素受到鈣離子的刺激後，會發出一種藍色光，因此能被用來偵測鈣離子。但在純化水母素的過程中，下村脩意外地發現了另一種含量更為稀少的蛋白質，這種蛋白質受到藍光（波長460nm） 的刺激後會發出綠色的螢光。因此在經歷數年的研究後，他將這種蛋白稱為「綠色螢光蛋白」（Green fluorescent protein，縮寫為GFP）。這種蛋白質具有一種特殊的發色團（chromophore），只要吸收特定波長的光就會散發出另一種螢光，有別於水母素需要與鈣離子結合才會產生發光，GFP只要照射藍光就會發光。

常用於做為疾病模式的斑馬魚，Tg (ola.sp7:nlsGFP) 轉基因的斑馬魚會在成骨細胞表現螢光。

然而，在GFP被發現後的20多年裡，螢光蛋白並沒有被廣泛的利用，頂多僅被用來做為鈣離子的指示劑，尚未被使用到實驗研究中。恰逢當時任職於哥倫比亞大學生物系的馬丁查爾菲教授，正在使用秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）探討其基因的表現，但那時的技術無法及時觀察到基因受到改變後的表現，需要進行大量的複雜處理，且無法在活體中進行觀察。因此當他了解到GFP的研究時，便產生了靈感，希望能將GFP的表現基因放入生物體中，在生物體內部產生螢光。換句話說，GFP就像科學家的「螢光筆」，既不影響生物細胞狀態，又能幫助他們標記出生物體內需被觀察的基因。

在1992年，查爾菲首次嘗試將GFP的基因植入大腸桿菌，成功的製造出第一個發出綠色螢光的大腸桿菌。接下來，查爾菲將GFP基因轉殖表現到線蟲身上，證明此研究方法可以適用於不同物種，當他以藍光照射植入GFP基因的線蟲時，其觸覺受器神經元發出綠色螢光，而線蟲並不會受到任何不良影響，此突破讓科學家在不用犧牲生物體的情況下，觀察其基因表現，為生物醫學研究跨出了大幅躍進的第一步。

以螢光蛋白標示鹿科動物染色體著絲點位置 （綠色螢光處）。

不過，雖然螢光蛋白標示使我們可以在活體上進行觀察，但它卻只有單一顏色標記，若要觀察多種蛋白質或基因表達時仍然不方便。就像學生需要多種顏色的筆幫助筆記一樣，面對複雜的基因結構，科學家們當然也希望有不同顏色的「螢光筆」，以便更好的標註生物體內的基因，並瞭解不同基因間的交互作用或位置分布。當時，錢永健教授正致力於指示劑的開發，因此尋找新的標示物質是他的首要目標。他在文獻上發現了GFP的基因研究，便聯繫了該篇論文的作者，在取得GFP基因後開始大量製造。不過，當時的GFP在細胞或組織中的表現並不穩定，有時會有亮度不足或是表現差異過大而導致無法定量的問題。因此錢永健便開始針對GFP的發色團進行改造，透過改變發色團序列的氨基酸種類，他成功製造出了青色、黃色等不同顏色的螢光蛋白。後來，又有俄羅斯科學家在蘑菇海葵 （Discosoma sp.） 中找到紅色螢光蛋白 （DsRED）。最初，紅色螢光蛋白的結構過大，難以用於螢光標定。後來，錢永健教授將其改造成只有一條胺基酸鍊的蛋白質，使其更加實用化，並且創造了更多的紅色系螢光，使得螢光蛋白在科學研究上的用途變為更加的靈活。

螢光蛋白在生物醫學及藥物開發上的應用

在螢光蛋白發現後的數十年，透過技術改良及大規模的製作，其成本逐漸降低，使其應用也越來越普及。現今，科學家可以透過遺傳工程技術，將GFP基因和生物的目標基因連接，以此觀測目標基因在生物體內的表現情形。同時，他們也可以利用螢光蛋白進行細胞染色，觀察細胞結構和功能，並了解蛋白質在細胞中的分布，這項技術被稱為分子探針 （molecular probe）。透過這些分子探針，科學家們便能更輕易地觀測細胞的活性及藥物的反應，比如觀測染色體的結構，且透過螢光的分子探針，不同功能區域可以更加明確地呈現。

此外也有科學家將GFP基因植入大腸桿菌中，再轉殖重金屬（如砷）相關的受器，並透過生物的螢光表現來偵測環境中的重金屬汙染，將GFP作為一種生物偵測器。螢光蛋白也表現在脊椎動物及植物身上，目前螢光豬及螢光鼠被用於研究人類疾病上，例如癌症或是心血管疾病。螢光魚除了被應用於藥物開發的研究外，也常被做為觀賞魚展示。由於LED光源的普及化，在紫色或藍色LED下激發出來的各色珊瑚螢光，也頗受水族愛好者們歡迎。

LED光源平價化後，水族玩家更能在水族缸中觀賞到珊瑚的螢光表現，讓珊瑚表現出另一種美感。圖為白光LED下飼養珊瑚，可看出其能表現出螢光色。

結語

螢光蛋白的發現開啟了生物醫學的新篇章，更推動了基因工程和醫療研究的進展，在COVID-19疫情的期間，螢光蛋白標記研究也為藥物和疫苗的快速開發提供了關鍵工具。螢光蛋白的發現不僅揭示了自然界的奧秘，更促進了科學和醫學的發展。從深海的水母到實驗室的顯微鏡下，螢光蛋白的光芒照亮了人類對生命的理解和探索。未來，螢光蛋白的研究和應用前景仍然廣闊，有望在許多領域帶來更多的突破和創新。

參考資料

1.Fluorescent proteins function as a prey attractant: experimental evidence from the hydromedusa Olindias formosus and other marine organisms. Biol Open. 2015 Sep 15; 4（9）: 1094–1104.

2. Nobel Prize – GFP: LIGHTING UP LIFE

3.科學人–照亮細胞的綠色螢光蛋白

4.農業部–生物感測器檢測環境汙染物之研發與應用