熒光蛋白，即能夠吸收然後發射光的化合物，已成為細胞生物學家工具箱中的強大工具——事實上，從水母中發現和開發綠色熒光蛋白為2008年諾貝爾化學獎贏得了榮譽。（這是一個與獲獎者之一，哥倫比亞大學的馬丁·查爾菲關於他的工作的問答。）然而，這些蛋白質也有侷限性：它們需要用可見光譜的藍色到橙色部分激發，波長為495到570奈米。這些波長的光太短，無法很好地穿透組織，因此綠色熒光蛋白主要用於試管研究中，以觀察細胞分裂或標記某些細胞型別。
但是，2008年諾貝爾獎得主之一，加州大學聖地亞哥分校的錢永健，以及他的加州大學聖地亞哥分校同事在今天出版的《科學》雜誌上報告說，他們開發出一種新的熒光蛋白，可以使科學家能夠在活體動物體內標記和視覺化細胞活動。這種蛋白質在吸收遠紅光譜的光後，會在近紅外波段發光，波長約為700奈米。
這些較長的波長可以穿透哺乳動物組織，甚至穿過骨骼。“假設你用綠色熒光蛋白標記了一個腫瘤，如果這個標記的腫瘤埋在動物體內，那麼你幾乎無法獲得綠色熒光，”首席研究員舒曉昆說。“但是如果你用紅外熒光蛋白標記這個深埋的腫瘤，你會得到更強的訊號，因為紅外線穿透組織更有效。”
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錢永健的研究小組從一種名為Deinococcus radiodurans的耐受細菌中提取了紅外熒光蛋白，這種細菌以其在極端環境中生存的能力而聞名。細菌實際上並不使用這類稱為細菌植物色素的蛋白質來發光。“它們使用這些細菌植物色素來控制基因表達，”舒說——這些蛋白質將吸收的光轉化為能量，從而發出訊號，開啟或關閉某些基因。
研究人員最初的挑戰是重新設計蛋白質，使吸收的光能夠重新發射出來，而不是作為能量來源被利用。他們透過刪除蛋白質中將吸收的光轉化為化學能的部分來實現這一壯舉；結果，這種截短的突變形式將其吸收的能量以紅外光的形式釋放出來。科學家們將工程改造的細菌蛋白質整合到哺乳動物細胞中——具體來說，是活體小鼠的肝臟中，肝臟發出了紅外光。
這一發現為體內視覺化動物體內廣泛的生化過程和內部器官鋪平了道路。（它在人類中的應用不太可能，因為它需要基因療法以及在倫理上存在爭議的將細菌基因移植到人體中。）
來自澳大利亞悉尼加文研究所的細胞生物學家大衛·詹姆斯評論說：“這非常重要，因為目前很多知識都侷限於在玻璃蓋玻片上生長的單個細胞”，這讓人對這些知識“是否可以轉移到動物身上”產生疑問。紅外版本還可以解決來自其他生物分子的自然熒光問題，這些分子傾向於在與傳統熒光蛋白標記物相似的波長下發光，從而產生大量的“背景噪聲”，詹姆斯說。
但更大的潛力在於利用細菌植物色素的原始功能，即驅動基因表達。錢永健認為，將植物色素的訊號控制特性放回原位應該是可行的。然後，就有可能利用光來“開啟基因並控制生物化學”，他說。
例如，你想探索開啟控制大腦功能某些方面的特定基因對小鼠行為的影響，但值得慶幸的是，對於小鼠來說，你不想開啟它的頭骨或將針頭插入它的大腦。“如果紅外熒光蛋白可以被製成紅外植物色素，你就可以準備好開關，只需等待足夠的紅外光，”錢永健推測。由於紅外光可以穿透頭骨，它可以到達植物色素並遠端開啟基因，從而導致小鼠行為的可觀察變化。
錢永健評論說，這是熒光蛋白的下一個進化步驟，他認為植物色素代表了一類具有巨大潛力的蛋白質。如果他是正確的，那麼在未來幾年，預計會有更多的科學家看到（紅外）光。