Structural Basis For Photoswitching In Fluorescent Proteins Brought Into Focus
Science Daily — 一群來自奧勒岡大學的科學家們設計出了一種辨識分子，這種辨識分子的特色就是具有能確認發出綠色螢光蛋白質的能力，而且只要策略性的加入一個氧原子到結構當中，就能選擇性的讓這個光消失，最久可以長達 65 個小時。
圖1. 各種會發螢光之蛋白質 UV 激發光圖（圖片來源：http://www.brighterideasinc.com/Protein_Products.htm）
這個研究結果已經發表在這一週《美國國家科學院期刊》的線上版本中。我們可以將這個技術應用在其他光調控的螢光蛋白質身上。說這句話的是 James Remington 教授，他是分子生物研究所的成員，也是一位物理學家。
圖2. 光調控螢光蛋白之分子結構變換圖
「這個新的模型可以用來專一性的預測，並且改進將蛋白質作為光調控的標記。」Remington 說到。「它除了讓我們第一次看到這些分子是怎麼進行 “開” 與” 關” 的切換之外，更可以讓我們去設計一些新型態且更有用的蛋白質。」
過去十年來，螢光蛋白 － 它第一次被分離出來是從水母以及一些多色性珊瑚生物體內得到 － 促進了分子身物學的革命，因為它讓科學家們得以利用它來進行基因表現，並且可以在細胞內標定出分子以其觀察相關的細胞活性。
圖3. 一種會發出綠色螢光之蛋白質 3D 結構圖，PDB code：1GFL（圖片來源：http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1GFL）
最近的這一個有關光調控螢光蛋白的發現 － 它可經由雷射來操控 － 對於細胞研究的發展來說具有非凡的意義。
「光調控性螢光蛋白對於被動性蛋白來說具有更大的優點，」Remington 說到。「你可以在顯微鏡下操作雷射來標記出所有的分子，你可以只針對它們當中的其中一小群去進行活化。讓你可以去追蹤分子的次級運動。我們希望能對這個程序有多一些的瞭解，因此我們進行了調控過程的關及開，或延遲它的時間。」
圖4. 以螢光蛋白標記出細胞中所有胞器位置之激發光圖（圖片來源：http://www.olympusfluoview.com/applications/fpcolorpalette.html）
不過，他接著說，光調控的機制到目前為止還是不清楚，因為在許多的情況下，蛋白質會自己自發性的趨於它們自身的穩定型態。
使用合理的突變型基因並誘導其定向進化過程，UO 的博士班學生 J. Nathan Henderson 利用高解析度結晶構型來決定出位在 “開” 與 “關” 狀態下的螢光蛋白，並將其從海葵中分離出來。
當分子處在穩定或螢光狀態下時，兩個側鏈會排列一列並成為成共平面的狀態，其呈現出一個平板狀且整齊有序的構型。不過，在雷射光的激發下，研究人員觀察到這個蛋白會很快速的變暗，同時環狀部分也會旋轉 180 度，並且會在 45 度角內翻轉，這時結構就會變成一個非共平面狀態，同時其排列會變得不穩定（見圖 2）。這兩個結構給了研究人員去觀察兩個相鄰基團彼此間交互作用變化的一個機會。
Remington 說到，當處在暗狀態（dark state）時，分子會吸收紫外光，同時並不會激發出任何的光線。然而，當螢光團（chromophore）吸收紫外光時，就有機會離子化，同時帶有負電荷。這就可以引發環翻轉回原來處在螢光狀態下的模樣。
他說到，如果能藉著激發光線的控制，那麼就可以讓我們在細胞當中進行更多精確的研究。
Henderson 研究這個結構後發現，當處在暗狀態下時，相鄰的兩個碳及氧原子它們並不喜歡產生交互作用。「Nathan 注意著它們，並且希望如果將氧原子放到一個適當的位置時，至少能夠發生些什麼事！」Remington 說到。「確實地，它除了在暗狀態下變得穩定，而且也能產生交互作用了。而根據結構的設計，Henderson 製造出了單一突變，使得在 “開” 與 ”關” 的延遲時間從原先的 5 分鐘拉長到 65 個小時。」
最後他補充到，控制開關狀態的能力可以促進光學記憶的發展，比如說單一分子訊息的儲存。此外，也能改進顯微鏡的工作與分子標示的工作。
圖5. 利用帶有各種顏色之螢光蛋白的細菌在洋菜膠上培養之菌落圖，在紫外光的照射下如同一幅陽光沙灘的美麗畫作。（圖片來源：http://www.tsienlab.ucsd.edu/Images.htm）
Co-authors with Henderson and Remington were Hui-wang Ai and Robert E. Campbell, both chemists at the University of Alberta in Edmonton, Canada. The research was supported by the National Science Foundation, National Institutes of Health, Canada's Natural Sciences and Research Council, Alberta Ingenuity and Canada Research Chairs Program.
Note: This story has been adapted from a news release issued by University of Oregon.
原始報導：
ScienceDaily：Structural Basis For Photoswitching In Fluorescent Proteins Brought Into Focus
論文摘要：
"Structural basis for reversible photobleaching of a green fluorescent protein homologue", PNAS published April 9, 2007, 10.1073/pnas.0700059104 ( Biophysics )
http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0700059104v1
補充資料：
S. James Remington 教授網頁