發光機理
綠色熒光蛋白(GreenFluorescent Protein，簡稱GFP）是在美國西北海岸所盛産的一種名為Aequorea victoria的水母中發現的一種可以發出綠色熒光的蛋白質。當蛋白質鍊折疊時，這段被深埋在蛋白質内部的氨基酸片段，得以“親密接觸”，導緻經環化形成咪唑酮，并發生脫水反應。但此時還不能發射熒光，隻有當有分子氧存在的條件下，發生氧化脫氫，方能導緻綠色熒光蛋白發色團的“成熟”，形成可發射熒光的形式。上述綠色熒光蛋白發色團的形成過程，系由幾位科學家分别研究完成的。
綠色熒光蛋白不僅無毒，而且不需要借助其他輔酶，自身就能發光，可以讓科學家在分子水平上研究活細胞的動态過程。當綠色熒光蛋白的基因和我們感興趣的有機體内所拟研究的蛋白質基因相融合時，蛋白質既能保持其原有的活性，綠色熒光蛋白的發光能力也不受影響。通過顯微鏡觀察這種發光的“标簽”，科學家就能做到對蛋白質的位置、運動、活性以及相互作用等一目了然。在一個活體中有數萬種不同的蛋白質，這些蛋白質精細地控制着重要的化學進程。
如果蛋白機制發生故障，通常就會t發生疾病。綠色熒光蛋白可幫助研究這類機制，這就是為什麼綠色熒光蛋白成為生物科學極其重要的工具。在它的幫助下，科學家還能對各種細胞的命運了如指掌，比如，腦神經細胞是如何發育起來的，或者癌症細胞是如何擴散的……
今天，已經有了許多新的不同的綠色熒光蛋白變體，這就進一步完善了綠色熒光蛋白作為基因标志在生物研究中的廣泛應用。
發現發展
國外情況
Aequorea victoria水母是一種生物發光體。1960年，下村修為搞清它的生物發光機制,參加了普林斯頓大學弗蘭克·約翰遜實驗室的工作。Aequorea victoria生物發光的活性組分曾被認為是一種與鈣離子相關聯的蛋白質，被稱為水母素（水母素現在仍是一種檢測生物體内鈣離子的方法之一）。但在此形式下，所發射的是藍光。對此，下村修曾做了大量的工作來說明所發射的熒光究竟是綠光還是藍光。研究人員分離了大量的蛋白質，都顯示出強烈的綠光，于是他在1962年寫道：“由蛋白質所得的溶液在日光下是稍稍發綠的，但在鎢燈下則為黃色，在紫外光下則呈現出很亮的、綠色的熒光”。
應當說，對這一問題的認識是在不斷提高的。他們在無直接試驗證據的情況下，提出了綠色熒光蛋白所發的綠光是因受鈣激發而發光的水母素，其能量向綠色熒光蛋白發生了轉移所緻。按現代的科學術語來說，水母素是作為一種能量給體，而綠色熒光蛋白則成為能量受體。這一觀點，後來得到了實驗的證實。但應當指出的是兩種色素是獨立存在的，并無依賴關系。
雖然綠色熒光蛋白最初隻是水母素研究中的一項偶然發現的“副産品”，但總的說來，下村修在發現綠色熒光蛋白的過程中作出了重要的貢獻。如對其純化和物理化學表征等方面，以及在不同條件下的激發光譜和發射光譜的測定等，綠色熒光蛋白與水母素兩者間的能量轉移，并解釋了由綠色熒光蛋白發射的是綠光而不是藍光。如果沒有這些經典性開創工作，有關綠色熒光蛋白的出現和廣泛應用将推遲幾十年，甚至至今它仍作為一種秘密保留在太平洋中。
馬丁·查爾菲所從事的研究是有關小線蟲神經細胞的發展。當查爾菲第一次聽說到綠色熒光蛋白時，他十分激動地從利用分子遺傳學方法來研究線蟲問題，轉移到将綠色熒光蛋白與有機體中蛋白質基因相融合的工作，并先後在兩種小線蟲中得到表達，即綠色熒光蛋白在不同的有機體中顯示出亮綠色的熒光，因此确認了綠色熒光蛋白可作為一種通用的基因标志，而應用于各種有機體中。接着，他還得到了綠色熒光蛋白在有機體内的不同部位和不同時間發展下的表達結果。1994年2月初查爾菲及其合作者把這些研究結果發表在《科學》雜志上，并引起轟動。1985年，道格拉斯·普瑞舍克隆了水母素的基因。
1992年，他又克隆出完整的由238個氨基酸編碼的綠色熒光蛋白基因。可惜的是,普瑞舍沒有進一步嘗試把該基因引入其他生物體内，雖然他在1992年的有關克隆工作的總結中最後指出：“迄今尚無可用的發色團生物合成的有關信息，而這種蛋白質的重組方式可以成為一種有價值的試劑，使我們可在這類特殊的蛋白質内，來試驗發色團生成的生物化學，以及在水母素和綠色熒光蛋白間的能量轉移機制等”。将綠色熒光蛋白表達到其他有選擇的有機體這項工作，具有重大的生物學意義。這就涉及馬丁·查爾菲的工作了。
綠色熒光蛋白的熒光形式不僅可用以表達小線蟲、果蠅等，對哺乳動物的細胞也适用，從而使定量研究活細胞的動态過程成為可能。查爾菲等人的工作向人們展示出，綠色熒光蛋白作為一種通用的基因标志，在生物研究中有着無限的潛力。
錢永健的貢獻
錢永健及其合作者，還解決了綠色熒光蛋白的晶體結構問題，從而允許能夠較合理地對具不同性質的變體合成進行設計。這些新變體有的熒光更強，有的呈黃色，有的呈藍色，有的呈紅色，有的可激活、可變色。這意味着除綠色以外，還可以用其他顔色熒光蛋白标示不同的蛋白質和細胞。
今天，綠色熒光蛋白及其變體作為基因标志，已實現了工具化，有了通用的“工具盒”，可應用于所有生命體系中的科學研究。錢永健和他的同事不僅加深了對綠色熒光蛋白發光機制的了解，比如分子氧的作用，由此可以解釋為什麼綠色熒光蛋白在有機體内可容易地發射熒光。更重要的是發現了一些新的具有不同光譜行為的綠色熒光蛋白變體，從紫外部分一直位移到藍色。這些結果表明，綠色熒光蛋白在進行取代或進行化學轉換上是十分活潑的，而這些改進了的綠色熒光蛋白，為其在生物科學中的成功應用鋪設了一條康莊大道。
在此筆者還想談一點感想。雖然這一獲獎項目為化學獎，但是它所涉及的大量工作都和生物和生命科學相關，包括所研究對象，以及它的實際應用等。這說明現代科學的分類已不拘泥于以往的格局。這還使我聯想到目前我們化學家對于物理和生物科學的生疏，以及物理學家見到苯環結構而害怕的情況。這些現狀表明,我們的大學教育确是有進一步改革的必要。
發光特性
GFP吸收的光譜，最大峰值為395nm（紫外），并有一個峰值為470nm的副峰（藍光）；發射光譜最大峰值為509nm（綠光），并帶有峰值為540nm的側峰（Shouder).
GFP的光譜特性與熒光素異硫氰酸鹽（FITC）很相似，因此為熒光素FITC設計的熒光顯微鏡濾光片組合同樣适用于GFP觀察.
盡管450～490nm（藍光）是GFP的副吸收峰，但由于長波能量低，細胞忍受能力強，因此更适合于活體檢測.
發現
GFP是從一種生活在北太平洋寒冷水域的水母體内發現的。這種水母體内含有一種生物發光蛋白質——aequorin，它本身發藍光。GFP能把這種光轉變成綠色，也就是當水母容光煥發的時候我們實際看到的顔色。GFP的純溶液在典型的室光下呈黃色，但是當被拿到戶外的陽光下時，它會發出鮮綠的顔色。這種蛋白質從陽光中吸收紫外光，然後以能量較低的綠光形式發射出來。
應用研究
分子标記
除用于特定蛋白的标記定位外，GFP亦大量用于各種細胞器的标記如細胞骨架、質膜、細胞核等等。Shi等人曾報道将GFP融合到大腸杆菌細胞膜表面用作标記蛋白，這一技術将有助于提高多肽庫的篩選效率、疫苗的研制、構建細胞生物傳感器用作環境檢測以及探測信号轉導過程等等。這些都為傳統生物學研究提供了新思路和新方法，成為交叉學科研究的熱點。作為一種新型的報告基因，GFP已在生物學的許多研究領域得到應
用。利用綠色熒光蛋白獨特的發光機制，可将GFP作為蛋白質标簽（protein tagging），即利用DNA重組技術，将目的基因與GFP基因構成融合基因，轉染合适的細胞進行表達，然後借助熒光顯微鏡便可對标記的蛋白質進行細胞内活體觀察。由于GFP相對較小，隻有238個氨基酸，将其與其他蛋白融合後不影響自身的發光功能，利用GFP的這一特性已經加深了我們對細胞内一些過程的了解，如細胞分裂、染色體複制和分裂，發育和信号轉導等。
1996年，Ehrdardt等人首次報道了利用GFP的特性研究細胞分化蛋白FtsZ的定位。研究顯示FtsZ在細胞分裂位點形成了一個環狀物，且至少有9種蛋白在細胞分裂中起重要作用，盡管對這些蛋白功能仍然不是很清楚，但是利用GFP融合蛋白已經搞清楚了它們聚合的順序以及在蛋白定位中的一些特征。利用GFP來檢測目标蛋白的定位已為我們提供了一種對細胞内的一些基本的生理過程進行更詳盡觀察的新方法。
藥物篩選
許多新發展的光學分析方法已經開始利用活體細胞來進行藥物篩選，這一技術能從數量衆多的化合物中快速篩選出我們所感興趣的藥物。基于細胞的熒光分析可分為三類：
即根據熒光的密度變化、能量轉移或熒光探針的分布來研究目标蛋白如受體、離子通道或酶的狀态的變化。熒光探針分布是利用信号傳導中信号分子的遷移功能，将一熒光蛋白與信号分子相偶聯，根據熒光蛋白的分布情況即可推斷信号分子的遷移狀況，并推斷該分子在遷移中的功能。由于GFP分子量小，在活細胞内可溶且對細胞毒性較小，因而常用作熒光探針。
融合抗體
在細胞體内分子之間的相互作用非常複雜，其中很多涉及到信号分子在細胞器之間的遷移。例如當信号分子和某一特殊受體結合後常會導緻配體-受體複合物從某一細胞區域遷移到另一區域，而這一遷移過程通常會介導一重要的生理功能。因而，這些受體常常被用作藥物篩選的目标，若某一藥物具有與信号分子類似的功能，那麼該藥物即具有潛在的醫藥價值。利用GFP熒光探針，将很容易從數量衆多的化合物中判斷出那些化合物具有與信号分子相似的能引起配體一受體複合物遷移并介導生理反應的功能，且這一篩選過程簡單方便，所需成本也很低。
利用這一原理，已經成功構建了一個篩選模型用于研究藥物介導的糖皮質激素受體(hGR）的遷移過程。在一96孔闆中培養細胞，并以一編碼hGR GFP蛋白的質粒轉染該細胞。
當細胞用待篩選的藥物處理後，hGR-GFP從細胞質遷移人細胞核的過程可實時或在某一時段内被證實，根據熒光分布即可推斷哪一種藥物具有與hGR配體相類似的功能。利用GFP來進行藥物篩選由于受其必須與遷移的信号分子相偶聯，其篩選容量相對較低，但是由于GFP在細胞内的穿透性強及獨特的發光機制，因而在藥物篩選中具有相當大的應用潛力。近二十年來，抗體生成技術有了飛速發展，已經從細胞工程抗體（雜交瘤技術一單克隆抗體）發展到了第三代抗體：基因工程抗體，尤其是噬菌體抗體庫技術的出現，解決了人源抗體的研制問題，促進了各種性能優良抗體以及具有多種功能的抗體融合蛋白的開發。
單鍊抗體（Single-chain variable fragment，ScFv）是研究得較多的一種小分子抗體，其優越陛在于可在宿主細胞内大量表達，易于基因工程操作，尤其易于構建抗體融合蛋白。近年來，關于綠色熒光蛋白融合單鍊抗體的報道很多，國内也有相關報道，如程虹等報道将抗肝癌單鍊雙功能抗體融合GFP真核表達載體并導人小鼠成纖維細胞NIH3T3表達并獲得成功。因融合抗體具有與抗原結合及發射熒光兩種特性，故這一人工分子可用做免疫染色的檢測試劑，直接應用于流式細胞儀和免疫熒光的标記及腫瘤的檢測等等。
傳感器
由于技術上的的原因，一般融合抗體均置于原核表達系統如E.coli中表達。為便于表達蛋白的分離純化，一般在單鍊抗體的N端或C端插入一6×His序列，便于用Ni-NTA親和層析柱純化目标蛋白。但這一技術也存在一些問題。由于抗體分子内存在二硫鍵，而在原核表達系統内由于抗體不能正确折疊，容易形成包涵體，表達出來的目标蛋白無活性，需要在氧化還原體系中進行複性。但近來也有報道在動物細胞細胞質中成功表達出具有抗原結合活性的單鍊抗體。若能成功解決融合抗體的表達問題，則在免疫染色及腫瘤檢測這一領域融合抗體将扮演極為重要的角色。
蛋白質工程技術已經開始采用将一具有信号傳導功能分子識别位點的分子結合到另一分子上來設計生物感受器。綠色熒光蛋白由于其獨特的光信号傳導機制，以及在表達後易被周圍化學環境和蛋白之間的相互作用所影響的特性，因而極适于用做活細胞體内的光學感受器。第一個基于GFP的生物感受器為Ca2+感受器，由Romoser和Miyawaki幾乎同時提出。這一感受器原理是利用鈣調蛋白結合鈣離子後引起的空間構象變化導緻兩種GFP突變體間發生熒光共振能量轉移。
但是由于大多數蛋白不能像鈣調蛋白那樣承受較大的空間構象變化，為克服這一缺點，人們開始提出利用基因融合技術将一新的分子識别位點結合到GFP上以構建新的分子感受器。Doi和Yanagawa根據這一原理将TEM1 β-内酰胺酶(Bla）融合到GFP上。當缺少目标分子時，GFP處于靜止狀态不會産生熒光。但是當目标分子β-内酰胺酶抑制蛋白（BLIP）與Bla結合後，即使GFP活化産生熒光，而這一變化很容易被檢測到。将受體蛋白插入到GFP表面的技術已經成為構建分子感受器的有力工具，這種GFP感受器能被用來檢測多種分子，如蛋白質、核酸、激素、藥物、金屬及其他的一些小分子化合物等，其潛在應用前景極為廣闊。
光伏發電
瑞典研究人員不再盯着植物作為樣闆，轉而将目光投向擁有高超光伏轉化能力的水母，開發出提升收獲太陽能的技術。利用水母身上提取的綠色熒光蛋白（GFP），該小組制作的裝置可用這些“黏黏綠”将紫外光轉化為自由電子。該小組制造的電池由在二氧化矽基底上被一個小縫隔開的兩個簡單的鋁電極組成，GFP置于兩電極中間并起連接作用。當把紫外光放進來的時候，GFP不斷将光子抓走，并産生電子進入電路産生電流。同時，GFP非常廉價，不需要昂貴的添加劑或昂貴的加工，此外，它還能被封裝成獨立的不需要外光源的燃料電池。科學家相信，此能源裝置縮小後可用來驅動微小的納米設備。
GFP結構特點
在蛋白質編号lema中可以看到GFP發色團的骨架在左邊。蛋白質鍊形成一個圓柱形罐頭（藍色），子鍊的一部分直接從中間穿過（綠色），發色團剛好在罐頭盒的中間，它被保護起來以免受周圍環境的影響。這種保護對于發射熒光是必需的。一但發色團吸收一個光子，激活的水分子通常就會奪取它的能量。但是在蛋白質内部改為發射能量稍低的光子來釋放能量，使它得到了保護。發色團（如右圖）由蛋白質鍊上的三個氨基酸：甘氨酸，酪氨酸和蘇氨酸（或絲氨酸）自發形成。
諾貝爾化學獎
2008年10月8日下午5點45分，2008年諾貝爾化學獎揭曉，三位美國科學家，美國Woods Hole海洋生物學實驗室的Osamu Shimomura（下村修）、哥倫比亞大學的Marin Chalfie和加州大學聖地亞哥分校的Roger Y.Tsien（錢永健，錢學森的堂侄）因發現并發展了綠色熒光蛋白（GFP）而獲得諾貝爾化學獎！
成幀規程
GFP，即通用成幀規程 （Generic Framing Procedure）。通用成幀規程屬于ITU-T G.7041規範，是一種新的封裝規程。在MSTP中，除可以使用傳統的點到點協議/高速數據鍊路協議（PPP/HDLC）、SDH上的鍊路接入規程（LAPS）作為數據分組的封裝協議外，GFP 是一種新的選擇方案。GFP 具有成幀映射和透明映射兩種方式可以分别應對不同需求的業務。成幀映射需要将客戶數據緩存下來再封裝到 GFP 幀結構中，此方式适用于對時延、抖動不敏感的業務；對于那些需要更小時延以及更高傳輸效率的業務，可以采用透明映射方式，即直接将數據從客戶數據塊中取出，再映射進周期性的、長度固定的 GFP 幀結構中。
