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綠色熒光蛋白（GFP）的研究史
先看一道試題：
GFP是水母體內(nèi)存在的能發(fā)綠色熒光的一種蛋白?？蒲腥藛T以GFP基因?yàn)椴牧?，利用基因工程技術(shù)獲得了能發(fā)其他顏色熒光的蛋白，豐富了熒光蛋白的顏色種類?；卮鹣铝袉?wèn)題。
（1）構(gòu)建突變基因文庫(kù)，科研人員將GFP基因的不同突變基因分別插入載體，并轉(zhuǎn)入大腸桿菌制備出GFP基因的突變基因文庫(kù)。通常，基因文庫(kù)是指_______。
（2）新蛋白與突變基因的關(guān)聯(lián)性分析。將上述發(fā)黃色熒光的大腸桿菌分離純化后，對(duì)其所含的GFP突變基因進(jìn)行測(cè)序，發(fā)現(xiàn)其堿基序列與GFP基因的不同，將該GFP突變基因命名為YFP基因（黃色熒光蛋白基因）。若要通過(guò)基因工程的方法探究YFP基因能否在真核細(xì)胞中表達(dá)，實(shí)驗(yàn)思路是_______。
答案：（1）將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同的基因
（2）將構(gòu)建好的表達(dá)載體（含有目的基因YFP基因）導(dǎo)入酵母菌中進(jìn)行表達(dá)
解析：有關(guān)密碼子，考生可從以下幾方面把握：
①概念：密碼子是mRNA上相鄰的3個(gè)堿基。
②種類：64種，其中有3種是終止密碼子，不編碼氨基酸。
③特點(diǎn)：一種密碼子只能編碼一種氨基酸，但一種氨基酸可能由一種或多種密碼子編碼；密碼子具有通用性，即自然界所有的生物共用一套遺傳密碼。
將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的群體中儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同的基因，稱為基因文庫(kù)。
基因工程研究中常用的真核表達(dá)系統(tǒng)有酵母表達(dá)系統(tǒng)、昆蟲(chóng)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)和哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)。要通過(guò)基因工程的方法探究YFP基因能否在真核細(xì)胞中表達(dá)，可將構(gòu)建好的表達(dá)載體（含有目的基因YFP基因）導(dǎo)入酵母菌中進(jìn)行表達(dá)，如果酵母菌發(fā)出黃色熒光，說(shuō)明YFP基因能在真核細(xì)胞中表達(dá)，反之則不能在真核細(xì)胞中表達(dá)。
這是2023全國(guó)乙卷試題節(jié)選。以綠色熒光蛋白（GFP）為情景考查基因工程。
2019高中生物學(xué)必修二也提到了綠色熒光蛋白：
那么，什么是綠色熒光蛋白（GFP）？是如何發(fā)現(xiàn)的？
綠色熒光蛋白（GFP）是一個(gè)由約238個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)，從藍(lán)光到紫外線都能使其激發(fā)，發(fā)出綠色熒光。近些年其被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究等各個(gè)領(lǐng)域，因而，常在高中生物題目中看到有關(guān)綠色熒光蛋白（GFP）的信息，2023年全國(guó)高考乙卷理綜考試38題就是以綠色熒光蛋白（GFP）為信息出了一道大題，讓我們一塊兒學(xué)習(xí)一下綠色熒光蛋白的研究歷程，提高對(duì)綠色熒光蛋白（GFP）的認(rèn)識(shí)，從中感受科學(xué)探究精神。
1956年，從長(zhǎng)崎醫(yī)科大學(xué)畢業(yè)的下村修僅用10個(gè)月從海洋熒光動(dòng)物海蜇體內(nèi)提純和結(jié)晶了熒光素（是海蜇放出的讓海水發(fā)出藍(lán)光的發(fā)光物質(zhì)），該項(xiàng)研究是海外科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年的嘗試和研究都沒(méi)有成功的難題。名古屋大學(xué)因其這項(xiàng)成果破例授予下村修博士學(xué)位，晉升他為助理教授。美國(guó)普林斯頓大學(xué)學(xué)者弗蘭克·約翰遜也因這項(xiàng)成果注意到了下修村的研究能力，邀請(qǐng)他到美國(guó)去。
1959年，下村修和弗蘭克·約翰遜投入到了一個(gè)新的研究課題中，該課題研究另一種海洋發(fā)光生物碗水母的發(fā)光機(jī)理。海蜇等大多數(shù)發(fā)光動(dòng)物能發(fā)光是靠?jī)煞N物質(zhì)熒光素和熒光素酶合作產(chǎn)生的結(jié)果。碗水母受到外界驚擾時(shí)發(fā)出綠光，2位科學(xué)家提取不到熒光素酶，認(rèn)為其發(fā)光機(jī)理與“熒光素——熒光素酶反應(yīng)”不同。
1962年，下村修和弗蘭克·約翰遜從約10萬(wàn)只的水母（這些水母幾乎全由下修村和其家人自己采集）中純化出發(fā)光蛋白，命名為水母發(fā)光蛋白，并闡明了它之所以發(fā)光的機(jī)理。他們發(fā)現(xiàn)水母發(fā)光蛋白存在于水母的發(fā)光器官中，它與細(xì)胞內(nèi)的鈣離子結(jié)合后分解變成脫輔水母發(fā)光蛋白和氧化熒光素，發(fā)出藍(lán)色的光（特征峰波長(zhǎng)是460nm）。但這卻與水母自身發(fā)出的綠光顏色不同，一定還有別的物質(zhì)與水母發(fā)光機(jī)理有關(guān)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的研究，他們終于成功地分離提取出了綠色熒光蛋白質(zhì)(GFP),原來(lái)是水母發(fā)光蛋白與GFP形成了復(fù)合體的緣故。
1974年，下村修和弗蘭克·約翰遜經(jīng)過(guò)研究，終于弄清楚碗水母的發(fā)光機(jī)理是這樣的，水母發(fā)光蛋白吸收鈣離子后發(fā)出藍(lán)光，該藍(lán)光激發(fā)GFP發(fā)出波長(zhǎng)為508nm的綠色熒光。這個(gè)反應(yīng)被稱為“熒光共振能量轉(zhuǎn)移”。但在當(dāng)時(shí)，他們并沒(méi)有想到GFP有什么應(yīng)用價(jià)值。
1987年—1992年，生物化學(xué)研究者道格拉斯·普蠟石對(duì)GFP發(fā)出綠色熒光這一特性很感興趣，思考如果把GFP與其他的物質(zhì)相結(jié)合，那它會(huì)不會(huì)就成了調(diào)查生物體內(nèi)的組織和細(xì)胞舉動(dòng)的示蹤物質(zhì)呢？普蠟石潛心研究5年，在1992年成功解讀了GFP遺傳基因。可惜的是由于研究經(jīng)費(fèi)的問(wèn)題，他沒(méi)有完成最初設(shè)定的目標(biāo)。
1992年—1994年，哥倫比亞大學(xué)的生物學(xué)家馬丁·查爾菲通過(guò)普蠟石拿到了GFP遺傳基因。查爾菲通過(guò)分子生物學(xué)的方法，將綠色熒光蛋白的cDNA導(dǎo)入到大腸桿菌、線蟲(chóng)等模式生物并成功使其得到表達(dá)，在紫外線的照射下，發(fā)出綠光。而且，這樣處理后的生物并沒(méi)有發(fā)生異常，證明了GFP的示蹤物質(zhì)作用。1994年，這個(gè)研究結(jié)果發(fā)表后，GFP一下子變得眾所周知，關(guān)于它的研究也霎時(shí)成為時(shí)代的寵兒。
1994年，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校生物學(xué)藥學(xué)部的錢永健教授通過(guò)改良GFP遺傳基因而稍微改變了氨基酸的序列，開(kāi)發(fā)出了光的波長(zhǎng)雖然相同，還是在綠光的范圍內(nèi)，但光的強(qiáng)度卻得以提高的改良型GFP。
1998年，錢永健教授又改良了氨基酸的序列，開(kāi)發(fā)出了熒光波長(zhǎng)變長(zhǎng)或變短，能發(fā)出不同顏色的光的變異型GFP。這些變異型可以做到雖然在同一個(gè)細(xì)胞里，卻可以根據(jù)發(fā)光顏色的不同來(lái)同時(shí)顯示多個(gè)蛋白質(zhì)的不同機(jī)能。
如果把到目前為止GFP發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的過(guò)程比喻為電視技術(shù)的話，下村修發(fā)現(xiàn)，普蠟石和沙爾菲發(fā)展應(yīng)用的綠色GFP相當(dāng)于初期的黑白電視，而錢永健開(kāi)發(fā)的多色熒光蛋白質(zhì)就相當(dāng)于彩色電視。
普通的蛋白質(zhì)在植入了作為異物的熒光蛋白質(zhì)之后，它本來(lái)的機(jī)能還能完全發(fā)揮出來(lái)么，有沒(méi)有因此而引發(fā)異常的可能性呢，這些問(wèn)題都還沒(méi)有得到確認(rèn)。
2008年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)以及改造方面做出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家，他們分別是化學(xué)家下村修教授、哥倫比亞大學(xué)的馬丁·查爾菲教授和美國(guó)的錢永健教授。

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