荧光蛋白，即能够吸收然后发射光的化合物，已成为细胞生物学家工具箱中的强大工具——事实上，从水母中发现和开发绿色荧光蛋白为2008年诺贝尔化学奖赢得了荣誉。（这是一个与获奖者之一，哥伦比亚大学的马丁·查尔菲关于他的工作的问答。）然而，这些蛋白质也有局限性：它们需要用可见光谱的蓝色到橙色部分激发，波长为495到570纳米。这些波长的光太短，无法很好地穿透组织，因此绿色荧光蛋白主要用于试管研究中，以观察细胞分裂或标记某些细胞类型。
但是，2008年诺贝尔奖得主之一，加州大学圣地亚哥分校的钱永健，以及他的加州大学圣地亚哥分校同事在今天出版的《科学》杂志上报告说，他们开发出一种新的荧光蛋白，可以使科学家能够在活体动物体内标记和可视化细胞活动。这种蛋白质在吸收远红光谱的光后，会在近红外波段发光，波长约为700纳米。
这些较长的波长可以穿透哺乳动物组织，甚至穿过骨骼。“假设你用绿色荧光蛋白标记了一个肿瘤，如果这个标记的肿瘤埋在动物体内，那么你几乎无法获得绿色荧光，”首席研究员舒晓昆说。“但是如果你用红外荧光蛋白标记这个深埋的肿瘤，你会得到更强的信号，因为红外线穿透组织更有效。”
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钱永健的研究小组从一种名为Deinococcus radiodurans的耐受细菌中提取了红外荧光蛋白，这种细菌以其在极端环境中生存的能力而闻名。细菌实际上并不使用这类称为细菌植物色素的蛋白质来发光。“它们使用这些细菌植物色素来控制基因表达，”舒说——这些蛋白质将吸收的光转化为能量，从而发出信号，开启或关闭某些基因。
研究人员最初的挑战是重新设计蛋白质，使吸收的光能够重新发射出来，而不是作为能量来源被利用。他们通过删除蛋白质中将吸收的光转化为化学能的部分来实现这一壮举；结果，这种截短的突变形式将其吸收的能量以红外光的形式释放出来。科学家们将工程改造的细菌蛋白质整合到哺乳动物细胞中——具体来说，是活体小鼠的肝脏中，肝脏发出了红外光。
这一发现为体内可视化动物体内广泛的生化过程和内部器官铺平了道路。（它在人类中的应用不太可能，因为它需要基因疗法以及在伦理上存在争议的将细菌基因移植到人体中。）
来自澳大利亚悉尼加文研究所的细胞生物学家大卫·詹姆斯评论说：“这非常重要，因为目前很多知识都局限于在玻璃盖玻片上生长的单个细胞”，这让人对这些知识“是否可以转移到动物身上”产生疑问。红外版本还可以解决来自其他生物分子的自然荧光问题，这些分子倾向于在与传统荧光蛋白标记物相似的波长下发光，从而产生大量的“背景噪声”，詹姆斯说。
但更大的潜力在于利用细菌植物色素的原始功能，即驱动基因表达。钱永健认为，将植物色素的信号控制特性放回原位应该是可行的。然后，就有可能利用光来“开启基因并控制生物化学”，他说。
例如，你想探索开启控制大脑功能某些方面的特定基因对小鼠行为的影响，但值得庆幸的是，对于小鼠来说，你不想打开它的头骨或将针头插入它的大脑。“如果红外荧光蛋白可以被制成红外植物色素，你就可以准备好开关，只需等待足够的红外光，”钱永健推测。由于红外光可以穿透头骨，它可以到达植物色素并远程开启基因，从而导致小鼠行为的可观察变化。
钱永健评论说，这是荧光蛋白的下一个进化步骤，他认为植物色素代表了一类具有巨大潜力的蛋白质。如果他是正确的，那么在未来几年，预计会有更多的科学家看到（红外）光。