Открытие флуоресцентных белков и расширение их палитры позволило ученым наблюдать за процессами, происходящими в живой клетке, в режиме реального времени и существенно расширить возможности биомедицинских исследований.
Об этом на открытой лекции «Флуоресцентные белки: природное разнообразие и применение в экспериментальной биологии», состоявшейся в СПбГУ, рассказал известный российский биохимик, академик РАН, проректор РНИМУ им. Н. И. Пирогова, заместитель директора Института биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова, советник ректора СПбГУ Сергей Анатольевич Лукьянов.
Зеленый флуоресцентный белок (GFP от англ. Green fluorescent protein) впервые обнаружил в медузе Aequorea victoriа в 1962 году американский ученый Осаму Шимомура. За это открытие в 2008 году исследователь получил Нобелевскую премию. Осаму Шимомура исследовал явление биолюминесценции медузы. Было известно, что в ответ на внешнее раздражение она вспыхивает ярко-зеленым светом. Шимомура выделил генерирующий свет компонент биолюминесцентной системы медузы — кальций-зависимый фотопротеин, названный им экворином. Однако в пробирке этот фотопротеин вспыхивал не зеленым, а синим светом. Дальнейшие исследования О. Шимомуры показали, что в биолюминесцентную систему медузы входит и второй белок, названный GFP. Он поглощает синий свет, продуцируемый фотопротеином, и испускает свет в зеленой области спектра. До сих пор не очень понятно, зачем нужна медузе такая двухкомпонентная система биолюминесценции. Предполагается, что с помощью вспышек медуза отпугивает рыб — зеленый цвет лучше виден в воде.
В 1992 году американский биохимик Дуглас Прашер выделил ген, кодирующий GFP. По словам Сергея Лукьянова, до клонирования гена было непонятно, насколько уникален GFP. Оказалось, что в отличие от остальных окрашенных белков, которые образуются в результате работы множества генов, GFP кодируется единственным геном, поэтому GFP получил такую огромную популярность.
Позднее нобелевский лауреат Мартин Чалфи встроил ген GFP в геном нематоды C.elegans, показав, что внедрение единственного гена приводит к появлению флуоресценции, и положив тем самым начало использованию флуоресцентного белка для изучения развития отдельных клеток, тканей и органов различных организмов.
С помощью GFP внутри клетки можно метить различные структуры и на живой клетке в режиме реального времени наблюдать за их перемещением.
Однако ученым хотелось иметь целую коллекцию флуоресцентных белков с различными спектральными характеристиками, чтобы одновременно наблюдать за несколькими процессами в клетке. И она появилась. За расширение палитры стоит сказать спасибо лектору, Сергею Анатольевичу Лукьянову, и его коллегам из Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова. Им удалось клонировать гены новых флуоресцентных белков, гомологичные GFP, из коралловых полипов класса Anthozoa. Новые флуоресцентные белки обладают разными цветами флуоресценции: от сине-зеленого до красного.
Флуоресцентные белки открыли перед учеными возможности, которые раньше не были доступны. В частности, эти белки нашли свое применение в скрининге лекарственных препаратов. Благодаря появлению белков разных цветов у ученых появилась также возможность «мастерить» различные биосенсоры. С их помощью исследователи могут наблюдать за изменениями различных параметров клеток на живых объектах, например на клеточных культурах, на целых модельных животных, их отдельных органах и тканях. «Мы можем, например, видеть, насколько гетерогенная клеточная популяция образуется в ходе развития злокачественной опухоли. И мы можем соотносить изменения в клетках с тем, как растет опухоль, как на нее действуют лекарства, какие участки опухоли чувствительные, а какие менее чувствительные», — говорит Сергей Лукьянов.
Фотоактивируемые флуоресцентные белки, флуоресценция которых меняется под воздействием света определенной длинной волны, позволили ученым следить в организме трансгенного животного за поведением выбранных групп клеток или даже отдельными клетками.
Флуоресцентные белки оказались интересны не только ученым. Они вошли в наши дома в прямом смысле этого слова — на плавниках и ногах домашних питомцев. «Вам, например, будет сегодня сложно купить аквариумную рыбку Danio rario в ее первозданном виде. В зоомагазинах предложат GlowFish — рыбок, окрашенных в различные цвета. Все дело в том, что гены, кодирующие GFP-подобные белки различных цветов, встроили в геном этой рыбки и новый "вид" пошел гулять по миру», — рассказал Сергей Лукьянов. Подробнее о генной трансформации в декоративных целях читайте в статье «Трансгенный любимец» в февральском номере журнала «Санкт-Петербургский университет».
