Он зеленый и светится

В последние годы границы между многими науками становятся все более и более размытыми. Зачастую уже невозможно понять, где кончается, например, биология и начинается физика или химия. Такая тенденция нашла свое отражение и в том, как происходит выбор нобелевских лауреатов. В 2008 году награду по химии присудили исследователям, которых скорее можно назвать молекулярными биологами.

Нобелевскую премию поделили между собой три американца, которые занимались изучением одного белка. Он известен в научном мире под названием GFP, от английского green fluorescence protein, или зеленый флуоресцентный белок. Чем же так замечателен этот GFP, и почему его выделяют из сотен тысяч других белков?

Что первое приходит вам в голову, когда вы думаете о море? Волны, соль, водоросли, рыбы и, конечно, медузы. Этих полупрозрачных существ, которые более чем на 90 процентов состоят из воды, можно встретить в морях практически на всех широтах. Разноцветные зонтики парят в воде, а некоторые даже светятся. Именно такие светящиеся медузы вида Aequorea victoria в 1960-е годы привлекли внимание группы биологов под руководством японца Осамы Симомуры (Osamu Shimomura).

Исследователи выделили из тела медузы несколько белков, одним из которых был GFP. Сам по себе этот белок не светится, однако если направить на него излучение определенной длины волны, он начинает мерцать зеленым цветом. Это явление получило название флуоресценции. Чтобы понять его причины, необходимо обратиться к атомам, молекулам и фотонам.

Свет представляет собой поток элементарных частиц – квантов света, или фотонов – обладающих определенной энергией. Если говорить о видимом свете, то количество энергии, переносимое фотонами, можно определить по цвету излучения. Например, фиолетовый свет состоит из высокоэнергетичных фотонов, а красный – из фотонов с низкой энергией. Немного усложним ситуацию и вспомним, что для фотонов характерен корпускулярно-волновой дуализм. То есть, фотон демонстрирует как свойства частицы, так и свойства волны. Короткая длина волны соответствует фотонам с высокой энергией, а длинная – с низкой.

Вернемся к флуоресценции. Теперь мы можем на молекулярном уровне описать, как возникает это явление. Итак, на флуоресцентную молекулу попадает квант света. Если он несет "нужное" количество энергии, то молекула переходит в так называемое возбужденное состояние. Это необычное состояние, и молекула может пребывать в нем очень недолго. Чтобы вернуться к "нормальной жизни", молекуле необходимо избавиться от излишка энергии, которую ей передал фотон. Существует несколько способов сделать это, один из которых – излучение кванта света. Испускаемый молекулой квант всегда несет меньше энергии, чем поглощенный, так как разница "уходит" на перевод молекулы в возбужденное состояние.

Если использовать терминологию длин волн, то флуоресцентная молекула всегда испускает более длинноволновый свет, чем поглощает. На иллюстрации справа показано, как соотносятся семь цветов радуги и длины волн видимого света.

Возникает вопрос, как именно сложное явление флуоресценции может пригодиться в молекулярной и клеточной биологии? Чтобы ответить на него, необходимо вспомнить, что все внутриклеточные структуры являются очень маленькими (длина средней животной клетки не превышает 30 микрометров, или 0,00003 метра), поэтому разглядеть каждую из них в отдельности внутри клетки не представляется возможным. Можно, конечно, каким-нибудь специфическим образом покрасить интересующие структуры, а потом рассмотреть под микроскопом. Но что делать в том случае, если необходимо проследить за динамикой отдельного элемента в живой клетке? Или увидеть, синтезируется ли в клетках определенный белок, и если да, то когда и где?

Как было бы удобно иметь некую молекулу, которую можно присоединить к интересующей внутриклеточной структуре, а потом наблюдать именно за ней, используя, скажем, микроскоп с определенной длиной волны. А еще лучше, если бы клетка сама могла синтезировать эту молекулу. Как наверняка заметил внимательный читатель, зеленый флуоресцентный белок медузы A. victoria идеально удовлетворяет этим требованиям.

Раствор GFP при обычном освещении тускло флуоресцирует, но если посветить на него светом с длиной волны 488 нанометров (синий свет), то молекула белка ярко "вспыхивает" зеленым (длина волны 509 нанометров). И если с помощью GFP пометить, например, какой-нибудь белок, то при облучении клетки синим светом этот белок будет хорошо заметен на фоне остальных структур, которые останутся тусклыми.

Возможности, которые выделенный Симомурой и коллегами GFP открывает для биологии, первым осознал американец Дуглас Прашер (Douglas Prasher), который в 1992 году клонировал зеленый флуоресцентный белок и определил нуклеотидную последовательность кодирующего его гена. На дальнейшие исследования GFP Прашеру (как это часто бывает в науке) не удалось получить денег, и эстафету принял другой американец Мартин Чалфи (Martin Chalfie). Он занимался изучением крошечного червяка Caenorabditis elegans и впервые услышал о GFP на конференции. Чалфи связался с Прашером и получил от него необходимую информацию и материалы. Вскоре его студентке Гие Эуширкен (Ghia Euschirken) удалось экспрессировать белок в клетках бактерии Escherichia coli. То есть, с гена, кодирующего GFP, в бактериальных клетках считывалась информация и синтезировался готовый белок, который флуоресцировал при облучении клеток синим светом.

О своих результатах Чалфи доложил в журнал Science в 1994 году. Имея копию этой статьи, любой исследователь мог получить необходимое ему количество GFP. Очень скоро Чалфи показал, как можно использовать зеленый флуоресцентный белок в исследовательской работе: он "покрасил" шесть отдельных клеток C. elegans.

Через два года была получена кристаллическая структура белка. То есть, ученые увидели, как организованы в пространстве все атомы GFP. Особенно исследователей интересовал хромофор – та часть молекулы GFP, которая "отвечает" за флуоресценцию. "Ключевое место" GFP выглядит как цилиндр или бочка, стенки которой образованы цепочками аминокислот. Такая структура получила название бета-баррель (от английского barrel - бочка).

Информация о строении хромофора GFP позволила ученым понять все детали процесса флуоресценции. А это, в свою очередь, дало возможность направленно изменять структуру белка для того, чтобы сделать его более стабильным, а флуоресценцию – более яркой. Кроме того, ученые научились получать молекулы, флуоресцирующие другим цветом.

Первым, кому удалось подробно описать механизм флуоресценции и значительно улучшить характеристики GFP, стал Роджер Тсиен (Roger Tsien), американец китайского происхождения. Он сумел сделать GFP более устойчивым (при воздействии света флуоресцентные белки постепенно "портятся" и флуоресценция гаснет) и получить "зеленые" флуоресцентные белки других цветов.

Получение самого GFP и его производных позволило создать множество молекулярно-биологических методов, с помощью которых можно одновременно следить за несколькими процессами, происходящими в живых клетках. Последовательность ДНК, кодирующую GFP, можно "добавлять" к геному клетки саму по себе или присоединять к генам других белков. В последнем случае, если правильно подобрать все параметры, можно получить нормально работающий белок с флуоресцентным "хвостиком". Наблюдая где, когда и как быстро появляется зеленая метка, можно многое узнать о работе белка.

Ложка дегтя

Как это часто бывает, не все согласны с решением Нобелевского комитета. Например, заведующий лабораторией структуры и функции генов человека Института биоорганической химии РАН, академик РАН Евгений Свердлов считает, что по своему масштабу получение GFP "не тянет" на Нобелевскую премию. В интервью РИА Новости ученый заявил, что эти работы не внесли "революционных изменений в биологические исследования". В качестве примеров более "достойных" открытий, по его словам, можно привести изобретение полимеразной цепной реакции. Можно также упомянуть открытие РНК-интерференции или структуры ДНК.

Кроме сомнений в "соответствии" GFP нобелевским стандартам, можно не согласиться с выбором лауреатов. Помимо Симомуры, Чалфи и Тсиена немалый вклад в создание и развитие флуоресцентных белков внес российский исследователь, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией молекулярных технологий для биологии и медицины Института биоорганической химии РАН Сергей Лукьянов. В его лаборатории флуоресцентные белки впервые были выделены из кораллов, которые не обладают естественной биолюминесценцией. Впоследствии белки, подобные GFP, были обнаружены во многих организмах, которые в природе "не светятся". Кроме того, Лукьянов и его коллеги создали целый ряд стабильных белков, флуоресцирующих различными цветами.

Но как бы то ни было, лауреаты объявлены, и Нобелевская премия по химии присуждена. Когда автор уже дописывал эту статью, агентство AFP сообщило, что один из лауреатов, Осаму Симомура, заявил, что не считает себя химиком и был очень удивлен, когда узнал о решении комитета. Скорее, он рассчитывал на награду в номинации "физиология и медицина". Этот факт очередной раз подчеркивает, как сложно стало разграничить науки друг от друга. Но с другой стороны, это означает, что с помощью физических методов можно изучать химические процессы, а сама физика помогает в изучении биологии. Другими словами, мы постепенно приближаемся к единой науке, которая объясняет все явления природы, не разделяя их на классы.