Нобелівська премія з хімії 2018 року

Кандидат фізико-математичних наук Е. ЛОЗОВСЬКА.

Осаму Шимомура (Osamu Shimomura) з Лабораторії морської біології (Marine Biological Laboratory) в Вудс-Хоул (Массачусетс).

Роджер Циен (Roger Y. Tsien) з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго зробив внесок у розуміння природи флуоресценції GFP.

Медуза Aequorea victoria (а) мешкає в Тихому океані, біля західного узбережжя Північної Америки. Її біолюмінесцентного органи розташовані по краю «парасольки» (б, в).

Зелений флуоресціюючий білок складається з 238 амінокислот. Амінокислотна ланцюжок згорнута в формі «бочки». Всередині розташована Хромофорную група, яка поглинає синє світло, а випромінює зелений.

Використовуючи ДНК-технології, Чалфі вмонтував ген зеленого флуоресцентного білка в генний перемикач, що запускає роботу шести рецепторних нейронів нематоди C.elegans.

Клітинний білок актин, мічений червоним флуоресцирующим білком (RFP), виглядає під флуоресцентним мікроскопом як витончена пірамідка.

Тільки що синтезований в клітці рецепторний білок LAMP2 світиться блакитним, апарат Гольджі - зеленим, а старі, давно з'явилися «на світло» рецепторні білки дають червону флуоресценцію.

Усередині клітини на тлі зеленого світіння клітинної цитоплазми видно червоні нитки білка тубуліну.

Витончені хмари тубуліна світяться в флуоресцентного мікроскопі червоним світлом.

Білок, що синтезується в ядрі клітини, світиться червоним на тлі слабкої зеленувато-блакитний флуоресценції самих клітин.

Зелений флуоресціюючий білок (green fluorescent protein, GFP) вперше виявили в 1962 році в організмі медузи Aequorea victoria. Тоді ніхто не підозрював, що через десятиліття GFP з медузи і флуоресцентні білки з інших морських тварин стануть найважливішим інструментом в біологічних і медичних дослідженнях.

А почалася ця історія так. У 1960 році уродженець Японії Осаму Шимомура, успішно почав вивчення біолюмінесценції морських молюсків в університеті Нагоя, отримав запрошення на роботу в лабораторію Франка Джонсона в Прінстоні, престижному американському університеті. Об'єктом його досліджень стала невелика медуза з роду екворея, що мешкає в північній частині Тихого океану. У спокійному стані ця медуза безбарвна, а у відповідь на роздратування краю її «парасольки» починають світитися зеленим світлом. Спочатку Шимомура виділив з еквореі люмінесцентний білок, який отримав назву «екворін». Екворін має здатність до світіння тільки в присутності іонів кальцію, а джерелом енергії служить хімічна реакція окислення целентеразіна - низькомолекулярного речовини, сполученого з екворіном в комплекс.

Шимомура і Джонсон звернули увагу на те, що в лабораторних умовах екворін випускає синє світло, хоча у живій медузи світіння зелене. Виявилося, що в клітинах еквореі є ще один дивовижний білок: якщо його опромінити синім або ультрафіолетовим світлом, він дає зелене свічення (флуоресценцію). Цей білок і отримав згодом назву GFP. В організмі медузи відбувається безвипромінювальний перенесення енергії синього світла від екворіна до знаходиться поруч молекулі GFP, яка і перетворює її в зеленувате світіння.

В кінці 1970-х років Шимомура зміг встановити природу хромофора - тієї хімічної групи в складі зеленого флуоресцентного білка, яка поглинає і випромінює світло. Світіння GFP, на відміну від екворіна та інших білків, що беруть участь в біолюмінесценції, не пов'язане з хімічними реакціями: він світиться в відповідь на опромінення синім або ультрафіолетовим світлом. Саме здатність до флуоресценції і лягла в основу подальшого використання GFP як світиться білкової мітки, яка може зробити видимими процеси в живих клітинах.

Флуоресціюючі білки зробили справжній переворот в дослідженнях живих клітин. З їх допомогою можна простежити, як в експериментах йде синтез білків, як формуються нейронні зв'язки, як розвивається ембріон і багато-багато іншого.

КЛІТИННА БИОЛОГИЯ В НОВОМУ СВІТІ

Кандидат хімічних наук В. верхівки, керівник лабораторії і професор кафедри анатомії і структурної біології Медичного коледжу ім. Альберта Ейнштейна (м.Нью-Йорк, США).

Найбільший внесок флуоресцирующие білки внесли в клітинну біологію. До відкриття зеленого флуоресцентного білка вчені могли отримувати зображення мертвих клітин, забарвлених штучними барвниками. GFP і більш сучасні різнокольорові білки дозволили фотографувати живу клітину в русі (переміщенні) і розвитку.

Чому тільки після відкриття GFP стало можливо «побачити», як працюють білкові молекули в живих клітинах і тканинах організму?

По-перше, на відміну від інших флуоресцентних міток, GFP-подібним білкам для світіння не потрібні ніякі допоміжні речовини, крім молекулярного кисню, тому клітина залишається живою і неушкодженою.

По-друге, на відміну від інших барвників, GFP - це білкова молекула, яка синтезується в клітці за своїм генетичним кодом. А сучасні методи генної інженерії дозволяють «зшити» ген будь-якого білка з геном флуоресціюючого білка, а потім внести цю генетичну «химеру» в клітку або модельний організм. Така генетично модифікована клітина починає синтезувати складний «химерний» білок, що містить світиться білкову молекулу.

По-третє, молекула флуоресціює білка досить маленька і тому практично не впливає на свого «партнера». Це означає, що вся складна білкова конструкція виконує ті ж функції, що і сам білок без флуоресцентної мітки.

Наприклад, фермент після генетичної «зшивання» з флуоресцирующим білком залишається тим же самим ферментом, але з одним дуже важливою відмінністю - він стає видимим під флуоресцентним мікроскопом. Тепер можна подивитися, де знаходиться цей фермент в живій клітині, як він переміщається з однієї клітинної структури в іншу, як змінюється його кількість під впливом будь-яких лікарських речовин і т.д.

Флуоресціюючі білки дозволяють вивчати локалізацію білків усередині клітини або їх досить повільні (протягом хвилин) переміщення. Щоб вивчити дуже швидкі (з тимчасові # 62465; м дозволом до сотень мілісекунд) руху білків, сучасні дослідники пішли далі, ніж нобелівські лауреати, і створили фотоактівіруемие флуоресцирующие білки. Початково такий білок або взагалі не флуоресціює, або флуоресціює одним кольором. Після опромінення коротким імпульсом лазера фотоактівіруемий білок або стає флуоресцентним, або змінює світ флуоресценції. Виконавши серію знімків, можна простежити за поширенням «химерної» білкової конструкції з області лазерного опромінення в інші частини клітини. Використання фотоактівіруемих білків в поєднанні з многолазернимі мікроскопами і новітніми методами обробки зображення дозволяє отримувати знімки клітин і внутрішньоклітинних структур з просторовим дозволом на порядок вище (тобто 15-25 нанометрів), ніж в класичній оптиці.

У цей час Михайло Матц в лабораторії Лук'янова і Юлій Лабаса з Інституту екології і еволюції РАН припустили, що інтенсивна забарвлення коралів і їх флуоресціююча світіння в ультрафіолеті можуть бути пов'язані з наявністю в них GFP-подібних білків. До перевірки цієї сміливої ​​гіпотези підключилася вся лабораторія, і незабаром був клонований ген першого червоного флуоресцентного білка, названого DsRed. Вперше було показано, що флуоресцентні білки досить широко поширені в морських організмах. Відкриття групи Лук'янова викликало цілий вал наукових публікацій. До теперішнього часу вчені по всьому світу клонували більше 200 генів різних флуоресціюючих білків з морських організмів. Кількість же існуючих генетичних модифікацій цих білків на порядок більше.

За 15 років активних досліджень корисні властивості GFP-подібних білків були багаторазово посилені. Вчені створюють нові форми GFP-подібних білків з спектрами флуоресценції в дальнекрасной області, де власна фонова флуоресценція тканин і клітин, зазвичай заважає отриманню хороших зображень, мінімальна. З відкриттям жовто-помаранчевих, червоних і дальнекрасних білків стало можливим спостерігати до п'яти «химерних» білкових конструкцій в клітці одночасно. У поєднанні з новими так званими двухфотонная мікроскопами, лазерне світло яких проникає на глибину до декількох міліметрів, дальнекрасние білки дозволять робити знімки клітин і внутрішньоклітинних структур не тільки на поверхні, але і усередині живої тканини. Вчені працюють також над створенням нових молекулярних флуоресціюючих біосенсорів, що дозволяють кількісно вимірювати в клітинах активність ферментів, концентрацію різних клітинних метаболітів, взаємодія між внутрішньоклітинними білками і багато іншого.

Сяючі білки, безумовно, чекає велике майбутнє.

Інформація Нобелівського комітету www.nobelprize.org