荧光蛋白（Fluorescent Proteins，FPs）是生物科学领域中一项重要的技术革新，它们的发现和改进已经改变了我们对细胞和分子生物学的理解方式。这些发光的生物分子不仅具有引人注目的视觉效果，还在细胞成像、基因编辑、生物传感和医学诊断等领域发挥着关键作用。本文将带您深入了解荧光蛋白的历史、原理以及最新的研究进展。
荧光蛋白的故事始于上个世纪中期，当时美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的奥斯瓦尔多·帕卡里斯（Osvaldo Delgado-Pescarolo）发现了一种神奇的蛋白质。这个蛋白质来自于水母，被命名为绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）。GFP最初的发现与其后的研究工作引领了荧光蛋白领域的探索。
GFP之所以如此特殊，是因为当它受到紫外线或蓝光激发时，能够放出明亮的绿色荧光，而这一荧光无需任何辅助物质。这一特性在科学研究中具有巨大潜力，因为它可以用于标记和追踪蛋白质、细胞和生物分子，无需对它们进行化学处理或添加荧光染料。
图2. 绿色荧光蛋白及发光团
荧光蛋白之所以能够发出荧光，是因为它们包含特殊的色素分子，被称为色素基团。在GFP中，这个色素基团是由三个氨基酸组成的环状结构，称为环氧酮环。当紫外线或蓝光照射到这个环氧酮环时，它会吸收能量并激发到一个高能级状态。然后，环氧酮环会迅速退回到低能级状态，释放出荧光能量，产生可见光。
荧光蛋白的另一个关键特性是它们的荧光颜色可以通过基因工程进行改变。科学家们通过修改荧光蛋白的氨基酸序列，成功制造出了各种不同颜色的荧光蛋白，包括蓝色、黄色、红色等。这为多色成像和多通道分析提供了可能。
图3. 不同颜色的荧光蛋白
1. 细胞成像
荧光蛋白在细胞成像领域发挥着巨大作用。通过将荧光蛋白与感兴趣的蛋白质或细胞器融合，研究人员能够实时观察这些生物分子的位置和活动。这对于研究细胞分裂、运动、信号传导等生物过程至关重要。
2. 基因编辑
荧光蛋白在基因编辑技术中也起到了关键作用。例如，CRISPR-Cas9技术通常需要一种方式来标记编辑的基因，以便追踪其效果。荧光蛋白可以作为这种标记的理想选择，因为它们能够将编辑的细胞或生物体发光，使其易于识别和跟踪。
3. 生物传感器
荧光蛋白不仅可以用于标记，还可以用于构建各种生物传感器。这些传感器可以检测细胞内的生理参数，如钙离子浓度、pH值、氧气水平等。这对于研究细胞生物学、药物筛选和疾病诊断都具有重要意义。
4. 医学诊断
荧光蛋白还在医学诊断领域有所应用。例如，一些荧光标记的抗体用于检测疾病标志物或病原体，从而提高了诊断的准确性和敏感性。
Sarmento, M. J.; Fernandes, F. Choosing the Right Fluorescent Probe. In Fluorescence Spectroscopy and Microscopy in Biology; Šachl, R., Amaro, M., Eds.; Springer International Publishing: Cham, 2022; Vol. 20, pp 3–51. https://doi.org/10.1007/4243_2022_30.
