Современная «золотая рыбка» должна иметь наноразмеры и флуоресцировать зеленоватым светом...
Открытие зелёного флуоресцентного белка позволило учёным пристально глядеть за тем, что происходит в клетках живого организма. На снимке светятся бесплодные мыши, в организм которых ввели сперматогониальные клетки — взрослые стволовые клетки, находящиеся в мужских половых железах. Эти клетки отличаются
Современная «золотая рыбка» должна иметь наноразмеры и флуоресцировать зеленоватым светом...
Открытие зелёного флуоресцентного белка позволило учёным пристально глядеть за тем, что происходит в клетках живого организма. На снимке светятся бесплодные мыши, в организм которых ввели сперматогониальные клетки — взрослые стволовые клетки, находящиеся в мужских половых железах. Эти клетки отличаются тем, что при созревании преобразуются в клетки сперматозоида. Чтобы выделить их среди других была специально выведена на генном уровне модифицированная линия мышей, у которой нужные клетки были помечены флуоресцентным маркером. Фото: University of Pennsylvania
Долгие годы зелёный флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP) казался бесполезной биохимической диковинкой, но в 1990-е годы он стал ценнейшим инвентарем в биологии. Эта уникальная натуральная молекула флуоресцирует не ужаснее синтетических красителей, но в отличие от их безвредна. С помощью GFP можно узреть, как клетка делится, как по нервному волокну пробегает импульс или как метастазы «расселяются» по телу лабораторного животного. На данный момент Нобелевскую премию по химии вручают трём учёным, работающим в США, за открытие и разработку этого белка.
Чтобы получить первую порцию нового белка, исследователи ловили медуз ручными сетями — закидывали невод, как старик из сказки Пушкина. Самое необыкновенное, что выделенный из этих медуз диковинный белок из медузы через несколько десятилетий стал настоящей «золотой рыбкой», которая делает самые священные желания клеточных биологов.
Что такое GFP?
GFP принадлежит к большей и различной группе молекул живых организмов, которые несут ответственность за многие био функции, — к белкам. Он взаправду зелёного цвета, при том что большая часть белков не покрашены (отсюда их название — белок).
Немногочисленные окрашенные белки обладают цветом благодаря наличию небелковых молекул — «довесков». Например, гемоглобин нашей крови состоит из небелковой красно-бурой молекулы гема и мерклой белковой части — глобина. GFP — это незапятнанный белок без «добавок»: молекула-цепочка, которая состоит из мерклых «звеньев» — аминокислот. Но после синтеза происходит если не чудо, то, по последней мере, фокус: цепочка сворачивается в «клубок», приобретая зелёную расцветку и способность излучать свет.
[center][img=Чтобы получить достаточную для исследований порцию светящегося вещества, Осаму Симомура и сотрудники его лаборатории наловили и переработали более 9 тысяч медуз. Фото (Creative Commons license): Denise Allen]datas/users/2-0047.jpg[/img][/center]
Чтобы получить достаточную для исследований порцию светящегося вещества, Осаму Симомура и сотрудники его лаборатории наловили и переработали более 9 тысяч медуз. Фото (Creative Commons license): Denise Allen.
В клетках медузы GFP работает в «тандеме» с другим белком, который испускает голубий свет. GFP поглощает этот свет и испускает зелёный. Зачем глубоководной медузе Aequorea victoria светиться зелёным светом, учёные до сих пор не сообразили. Со светлячками всё просто: в брачный сезон самка зажигает «маяк» для самцов — такое брачное объявление: зелёная, рост 5 мм, ищу спутника жизни.
В случае медуз такое объяснение не подходит: они не могут активно передвигаться и противостоять течениям, так что если и подают друг другу сигналы, то сами же не в состоянии плыть «на огонёк».
Осаму Симомура: без труда не вытащишь медузу
Все началось в 1950-е годы, когда в США в морской лаборатории Friday Harbor Осаму Симомура (Osamu Shimomura) стал учить глубоководную светящуюся медузу Aequorea victoria. Тяжело представить более «праздное» научное любопытство: очкарикам стало интересно, почему светится в темноте морских глубин никому не пользующаяся популярностью студенистая тварь. Изучал бы яд медузы, и то было бы проще вообразить перспективу практического внедрения.
Оказалось, что ловить медуз фабричным тралом нельзя: они очень травмируются, поэтому пришлось ловить их ручными сетями. Для облегчения «творческой» научной работы под управлением напористого японца сконструировали специальную машину для разделки медуз.
Но научное любопытство, помноженное на японскую дотошность, дало результаты. В 1962-м Симомура и коллеги выпустили статью, в какой поведали об открытии нового белка, получившего название GFP. Самое интересное, что Симомуру интересовал не GFP, а другой белок медузы — экворин. GFP открыли как «сопутствующий продукт». К 1979 году Симомура и коллеги детально охарактеризовали структуру GFP, которая была, естественно, интересной, но только для немногочисленных узких экспертов.
Осаму Симомура указывает биолюминесцентные возможности морских рачков, собранных на японском побережье. 1956 год. Фото: Tom Kleindinst
Мартин Чалфи: медузный белок без медузы
Прорыв был сделан в конце 1980-х — начале 1990-х годов с ведущим ролью Мартина Чалфи (Martin Chalfie) — второго из «троицы» нобелевских лауреатов. С помощью методов генной инженерии (которая сформировалась лет через 15–20 после открытия GFP), учёные научились вставлять ген GFP в бактерии, а позже и в сложные организмы, и заставили их синтезировать этот белок.
Ранее числилось, что для приобретения флуоресцентных характеристик GFP просит уникального биохимического «окружения», которое существует в организме медузы. Чалфи доказал, что реальный светящийся GFP может создаваться также в других организмах, достаточно единственного гена. Сейчас этот белок был у учёных «под колпаком»: не на морских глубинах, а всегда под рукой и в неограниченных количествах. Открылись неслыханные перспективы практического внедрения.
Генная инженерия позволяет вставлять ген GFP не просто «куда-нибудь», а присоединять к гену определенного белка, который интересует исследователя. В конечном итоге этот белок синтезируется со светящейся меткой, что позволяет видеть под микроскопом непосредственно его на фоне тысяч других белков клетки.
Революционность GFP в том, что он позволяет «маркировать» белок непосредственно в живой клетке, и сама клетка его синтезирует, а в эру до GFP фактически вся микроскопия делалась на «зафиксированных» продуктах. По сути, биохимики изучали «моментальные снимки» био процессов «по состоянию на момент смерти», предполагая, что в препарате всё осталось так, как было при жизни. На данный момент появилась возможность пронаблюдать и записать на видео многие био процессы непосредственно в живом организме.
Фруктовая лавка Роджера Циена
3-ий нобелевский лауреат, в общем-то, ничего не «открыл». Вооружившись чужими заниями о GFP и методами генетической инженерии, в лаборатории Роджера Циен (Цянь Юнцзянь, Roger Y. Tsien) учёные стали создавать «по виду и подобию» новые флуоресцентные белки, которые лучше соответствовали их нуждам. Были устранены значимые недостатки «натурального» GFP. А конкретно, белок из медузы ярко светится при облучении ультрафиолетом, а для исследования живых клеток еще лучше использовать видимый свет. Не считая того, «натуральный» белок — тетрамер (молекулы собираются по четыре). Представьте, что четыре шпиона (GFP) должны глядеть за 4-мя фигурантами («маркированные белки»), и при всем этом всё время держаться за руки.
На агаровой пластинке с помощью разноцветных флуоресцентных колоний бактерий можно рисовать картины. Фото: University of California, San Diego
Изменяя отдельные структурные элементы белка, Циен и его коллеги разработали модификации GFP, лишённые этих и ряда других недостатков. Непосредственно их на данный момент употребляют учёные по всему миру. Не считая того, команда Циена сделала целую «радугу» флуоресцентных белков: от голубого до красно-фиолетового. Свои разноцветные белки Циен назвал в честь фруктов соответствующих цветов: mBanana, tdTomato, mStrawberry (клубника), mCherry (вишня), mPlum (слива) и т.д..
Циен сделал список собственных разработок похожим на фруктовую лавку не только в целях популяризации. По его словам, как не бывает 1-го самого лучшего фрукта на все случаи, так не бывает 1-го самого лучшего флуоресцентного белка: для каждого определенного варианта необходимо выбирать «свой» белок (а выбирать на данный момент есть из чего). Арсенал разноцветных белков нужен, когда учёные хотят проследить сходу за несколькими видами объектов в одной клетке (обычно так и бывает).
Новым шагом в дизайне флуоресцентных белков стало создание «фотоактивируемых» белков. Они не флуоресцируют (а значит, не видны под микроскопом), до тех пор, пока с помощью короткосрочного облучения специально подобранным лазером их не «зажжёт» исследователь. Лазерный луч аналогичен функции выделения в компьютерных приложениях. Если учёного интересуют не все молекулы белка, а только в одном определенном месте и начиная с определенного момента, то можно «выделить» эту область с помощью лазерного луча, а позже смотреть, что происходит непосредственно с этими молекулами. Например, можно «активировать» одну из 10-ов хромосом, а позднее смотреть, как она «путешествует» по клетке во время деления, и другие хромосомы не будут путаться под ногами.
Сейчас ученые пошли ещё дальше: не так издавна изготовлены флуоресцентные белки-хамелеоны, которые после специального облучения меняют цвет, причём эти конфигурации обратимые: можно много раз «переключать» молекулу с 1-го цвета на другой. Это ещё больше расширяет возможности исследования процессов в живой клетке.
Благодаря разработкам последнего десятилетия, флуоресцентные белки стали одним из главных инструментов исследований клетки. Об одном только GFP или исследованиях с его применением уже расположено около семнадцати тысяч научных статей. В 2006 году в лаборатории Friday Harbor, где был открыт GFP, установили памятник, изображающий молекулу GFP, высотой 1,4 м, другими словами примерно в 100 миллионов раз больше оригинала.
GFP из медузы Aequorea — лучшее доказательство того, что человеку необходимо беречь богатство «бесполезных» видов диких животных. Каких-то 20 лет назад никто не представил бы, что экзотический белок никому не известной медузы станет главным инвентарем клеточной биологии XXI века. Более 100 миллионов лет эволюция создавала молекулу с уникальными свойствами, которую не смог бы сконструировать «на пустом месте» никакой учёный или компьютер. Хоть какой из сотен тысяч видов растений и животных синтезирует тысячи собственных собственных био молекул, которые в подавляющем большинстве пока не изучены. Может быть, в этом большенном живом архиве есть практически все из того, что когда-нибудь понадобится популяции земли.
Возрастающая доступность «высоких технологий» молекулярной биологии привела к тому, что светящиеся белки стали использовать не только в серьёзных исследованиях.
Зелёное флуоресцентное сало
12 января 2006 ученые из Тайваня объявили о разработке трансгенных зелёных флуоресцентных свиней. Взрослые свиньи стопроцентно светятся зелёным светом в темноте, а при дневном свете их кожа имеет зеленоватый оттенок, в особенности это заметно на пятачке. Учёные гордятся, что все ткани организма синтезируют зелёный белок, при том что ранее удавалось вынудить светиться только отдельные группы клеток в целом организме. Не считая свечения, свиньи ничем не отличаются от обыденных. Учёные молвят, что такие свиньи не только станут украшением к Хэллоуину, ну и посодействуют в исследовании стволовых клеток.
Артхимера крольчиха Альба — произведение трансгенного искусства. Фото: Eduardo Kac/Purdue University.
В 2000 году по заказу современного художника Эдуарда Каца (Eduardo Kac) один французский генетик «сделал» зелёную флуоресцентную крольчиху по кличке Альба. Опыт не имел никаких научных целей: Альба была «произведением искусства» художника Каца в придуманном им направлении — трансгенном искусстве. Крольчиха (простите, художественное произведение Каца) демонстрировалась на различных выставках, пресс-конференциях и других мероприятиях, которые привлекли большущее внимание.
В 2002-м Альба в один момент погибла, а вокруг злополучного зверька в прессе поднялся скандал из-за противоречий меж учёным-исполнителем и художником-заказчиком. Защищая сотруднику от нападок Каца, французские генетики, например, утверждали, что Альба на самом деле не такая зелёная и светящаяся, как смотрится на фото. Но если речь идёт об искусстве, почему бы не приукрасить с помощью «Фотошопа»?
Генетическая инженерия человека противоречит мед этике, поэтому вряд ли флуоресцентные белки будут применяться в легитимных медучреждениях для диагностики и похожих целей. Но можно представить, что новые возможности заинтересуют салоны красоты и другие менее контролируемые заведения. Представьте себе, например, натуральные ногти или губы (никаких лаков и помад!), которые меняют цвет зависимо от освещения и даже светятся в темноте, если кому-то нравится… Или рисунок на коже, образованный своими флуоресцентными клетками, который становится видимым, только если посветить специальной лампой, вместо татуировок, которые рассматривает каждый кому не лень, а удалить тяжело.
Источник : www.vokrugsveta.ru
Сергей Авилов
Похожие статьи:
