Fakti par zaļo fluorescējošo proteīnu
Fernans Federiči/Getty Images
Zaļais fluorescējošais proteīns (GFP) ir a olbaltumvielas kas dabiski rodas medūzas Vienmērīga uzvara . Attīrītais proteīns parastā apgaismojumā izskatās dzeltens, bet saules vai ultravioletā gaismā spīd spilgti zaļā krāsā. Proteīns absorbē enerģētisko zilo un ultravioleto gaismu un izstaro to kā zemākas enerģijas zaļo gaismu caur fluorescenci . Olbaltumvielu izmanto molekulārajā un šūnu bioloģijā kā marķieri. Kad tas tiek ievadīts šūnu un organismu ģenētiskajā kodā, tas ir pārmantojams. Tas ir padarījis proteīnu ne tikai noderīgu zinātnei, bet arī ieinteresētu transgēnu organismu, piemēram, fluorescējošu mājdzīvnieku zivju, veidošanā.
Zaļā fluorescējošā proteīna atklāšana
Piparmētru attēli - Frans Lanting / Getty Images
Kristāla medūza, Vienmērīga uzvara , ir gan bioluminiscējoša (spīd tumsā) un fluorescējoša (spīd, reaģējot uz ultravioletā gaisma ). Mazie foto orgāni, kas atrodas uz medūzas lietussarga, satur luminiscējošu proteīnu aequorin, kas katalizē reakciju ar luciferīnu, lai atbrīvotu gaismu. Kad aequorin mijiedarbojas ar Ca2+joniem, rodas zils mirdzums. Zilā gaisma nodrošina enerģiju, lai GFP mirdzētu zaļā krāsā.
Osamu Šimomura veica pētījumus par bioluminiscenci a.uzvara pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados. Viņš bija pirmais, kurš izolēja GFP un noteica proteīna daļu, kas ir atbildīga par fluorescenci. Šimomura nogrieza kvēlojošos gredzenus miljons medūzas un izspieda tās caur marli, lai iegūtu materiālu savam pētījumam. Lai gan viņa atklājumi ļāva labāk izprast bioluminiscenci un fluorescenci, šo savvaļas tipa zaļo fluorescējošo proteīnu (GFP) bija pārāk grūti iegūt, lai to praktiski izmantotu. 1994. gadā GFP bija klonēti , padarot to pieejamu lietošanai laboratorijās visā pasaulē. Pētnieki atrada veidus, kā uzlabot sākotnējo proteīnu, lai tas spīdētu citās krāsās, spīdētu spilgtāk un specifiskos veidos mijiedarbotos ar bioloģiskiem materiāliem. Olbaltumvielu milzīgā ietekme uz zinātni noveda pie 2008. gada Nobela prēmijas ķīmijā, kas tika piešķirta Osamu Šimomurai, Mārtijam Čalfijam un Rodžeram Tsienam par “zaļās fluorescējošās olbaltumvielas GFP atklāšanu un izstrādi”.
Kāpēc GFP ir svarīga
dra_schwartz / Getty Images
Neviens faktiski nezina bioluminiscences vai fluorescences funkciju kristāla želejā. Rodžers Ciens, amerikāņu bioķīmiķis, kurš saņēma 2008. gada Nobela prēmiju ķīmijā, izteica pieņēmumu, ka medūza varētu mainīt savas bioluminiscences krāsu, mainoties spiedienam, mainot dziļumu. Tomēr medūzu populācija Piekthārborā, Vašingtonas štatā, piedzīvoja sabrukumu, kas apgrūtināja dzīvnieka izpēti tā dabiskajā vidē.
Lai gan fluorescences nozīme medūzām nav skaidra, proteīna ietekme uz zinātniskajiem pētījumiem ir satriecoša. Mazās fluorescējošās molekulas mēdz būt toksiskas dzīvām šūnām, un tās negatīvi ietekmē ūdens, ierobežojot to izmantošanu. No otras puses, GFP var izmantot, lai redzētu un izsekotu proteīnus dzīvās šūnās. Tas tiek darīts, pievienojoties gēns GFP uz proteīna gēnu. Kad proteīns tiek ražots šūnā, tai tiek pievienots fluorescējošais marķieris. Gaismas apspīdēšana šūnā liek proteīnam spīdēt. Fluorescences mikroskopija tiek izmantots, lai novērotu, fotografētu un filmētu dzīvas šūnas vai intracelulāros procesus, netraucējot tiem. Šī metode darbojas, lai izsekotu vīrusu vai baktērijas, kad tās inficē šūnu, vai marķē un izseko vēža šūnas. Īsumā, GFP klonēšana un pilnveidošana ir devusi iespēju zinātniekiem izpētīt mikroskopisko dzīvo pasauli.
Uzlabojumi GFP ir padarījuši to noderīgu kā biosensoru. Modificētie proteīni darbojas kā molekulārās mašīnas, kas reaģē uz izmaiņām pH vai jonu koncentrācija vai signāls, kad proteīni saistās viens ar otru. Proteīns var izslēgties/ieslēgt signālu, vai tas fluorescē vai var izdalīt noteiktas krāsas atkarībā no apstākļiem.
Ne tikai zinātnei
www.glofish.com
Zinātniskie eksperimenti nav vienīgais zaļās fluorescējošā proteīna lietojums. Mākslinieks Julian Voss-Andreae rada proteīna skulptūras, kuru pamatā ir GFP mucas formas struktūra. Laboratorijas ir iekļāvušas GFP dažādu dzīvnieku genomā, daži ir paredzēti lietošanai kā mājdzīvnieki. Yorktown Technologies kļuva par pirmo uzņēmumu, kas tirgoja fluorescējošās zebrazivis ar nosaukumu GloFish. Spilgtās krāsas zivis sākotnēji tika izstrādātas, lai izsekotu ūdens piesārņojumu. Citi fluorescējoši dzīvnieki ir peles, cūkas, suņi un kaķi. Ir pieejami arī fluorescējoši augi un sēnītes.