25 июня 2019, вторник, 08:24
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Флуоресцентные белки позволяют изучать локализацию белков в клетке и в организме

Модифицированные E. coli, вырабатывающие белок GFP
Модифицированные E. coli, вырабатывающие белок GFP
Всеволод Белоусов
 

16 мая 2013 года состоялась очередная лекция в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру». Биолог Всеволод Вадимович Белоусов – заведующий Группой биологии активных форм кислорода Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН – выступил с лекцией на тему: «Флуоресцентные белки и биосенсоры».

Механизм флуоресценции состоит в том, что, когда молекула поглощает кванты света, электроны переходят на более высокие энергетические уровни, а потом возвращаются к исходному состоянию, испуская фотоны. Но, поскольку часть энергии теряется, излученный свет имеет меньшую энергию и соответственно большую длину волну, чем поглощенный. Поглощая, например, синий свет, молекула испускает зеленый. Флуоресценцию следует отличать от другого явления – люминесценции, когда свечение появляется в результате выделения энергии при химических реакциях.

Биолюминисценцию и биофлуоресценцию изучал в 1960-е годы японский ученый Осаму Симомура, работавший в Принстоне. Он выделил из мелких ракообразных (Cypridina hilgendorfii) люцеферин, позволяющий им светиться. Затем из организма медузы Aequorea victoria Симомура выделил белок экворин, обеспечивающий люминесценцию в присутствии ионов кальция. Однако in vitro экворин излучал синий свет, а сами медузы светятся зеленым. Продолжив работу, Симомура обнаружил, что это свечение обеспечивает другой белок – зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP). Именно открытие GFP дало в руки биологов мощный исследовательский инструмент, хотя в начале 1960-х об этом никто не подозревал.

В 1992 году Дуглас Прэшем (Douglas C. Prasher) из Лаборатории морской биологии в Массачусетсе клонировал ген, кодирующий GFP. В 1994 Мартин Чалфи (Martin Chalfie) впервые применил этот белок in vivo, индуцировав нужный ген в кишечную палочку (Escherichia coli) и нематоду Caenorhabditis elegans. В дальнейшем Роджер Тсиен усовершенствовал этот белок. За работу над флуоресцентным белком Сикомура, Чалфи и Тсиен получили в 2008 году Нобелевскую премию по химии.

В дальнейшем работа над флуоресцентными белками продолжилась. Были получены белки, дающие излучение других цветов: красного, желтого, голубого и т. д. В эту работу большой вклад внесла группа ученых под руководством Сергея Анатольевича Лукьянова. Источниками некоторых флуоресцентных белков, например красного, стали кораллы. Причем коралл, из которого этот белок был выделен, ученые купили в ближайшем зоомагазине.

Однако зачем ученым по всему миру тратить время и силы на выделение флуоресцентных белков? Почему Нобелевский комитет счел эту работу достойной премии? Всё дело в том, что благодаря флуоресцентным белкам исследователи получили возможность увидеть процессы происходящие в организме и даже контролировать результаты собственных действий. Это стало возможным благодаря генной инженерии. Вставив в нужное место генома ген, кодирующий флуоресцентный белок, исследователь по появлению флуоресценции может определять, когда и как этот участок генома «работает».

Когда в распоряжении ученого есть несколько разных флуоресцентных белков, их можно внедрить в один организм или в одну клетку и наблюдать параллельно несколько процессов. При помощи такого многоцветного мечения можно сделать так, чтобы ядро клетки, например, светилось красным, цитоскелет – синим, митохондии – зеленым и так далее.

Для наблюдений с использованием GFP и других флуоресцентных белков нужны специальные приборы. В флуоресцентных микроскопах на образец – клеточную культуру или зафиксированный живой организм – направляется поток фотонов, чтобы исследователь мог наблюдать флуоресценцию. Проточный флуориметр освещает образец клеток разными лазерами и подсчитывает число клеток, отреагировавших на то или иной излучение флуоресценцией.

Флуоресцентные белки используют для визуализации активности промоторов. Промоторы – это последовательности нуклеотидов в ДНК, предшествующие основной, кодирующей последовательности гена. По промотору РНК-полимераза «узнает», когда начинать считывание последовательности нуклеотидов для синтеза информационной РНК, а затем – соответствующего белка. Если мы после нужного нам промотора поставим ген, кодирующий GFP, то вместо белка, за синтез которого отвечал ген, клетка будет синтезировать GFP. В результате по зеленой флуоресценции исследователь может определить, когда включается данный промотор, в каких условиях, сколько работает и т. д. Поскольку есть промоторы, которые включаются только в определенных типах клеток, можно наблюдать флуоресценцию только клеток данного типа. Можно, например, увидеть под микроскопом свечение сенсорных нейронов личинки мухи дрозофилы. Или стволовые клетки мозга мыши.

 
Глазодвигательный нерв и нейроны зубчатой извилины мыши, окрашенные по методу Brainbow

С помощью флуоресцентных белков можно изучать и локализацию различных белков в клетке и в организме. Тогда последовательность, кодирующую флуоресцентный белок, вставляют в ДНК вместе с той, которая кодирует белок, интересующий ученого. В результате по флуоресценции можно определять, какие белки находятся в ядре, какие в комплексе Гольджи, какие в мембране и так далее. Жан Ливе с коллегами в 2007 году предложили даже метод, позволяющий увидеть каждый отдельный нейрон мозга мыши. Метод получил название Brainbow. Он состоит в том, что в результате определенных манипуляций каждая клетка мозга получает случайный набор флуоресцентных белков. А, как известно, из сочетания трех цветов: красного, зеленого и синего – можно получить любой цвет. В результате нейроны приобретают индивидуальную уникальную окраску.

Видеозаписи, полученные на живых организмах с использованием флуоресцентных белков, порой завораживают. Мы видим каждую отдельную клетку в развивающейся личинке дрозофилы. Вспышки сигнализируют об активности нейронов в мозге малька рыбки Danio rerio. Тело этих мальков почти прозрачно, что делает их особенно удобным объектом для исследования  с помощью флуоресцентных белков. Сортеры, основанные на этом же принципе, могут разделять клетки, дающие разный эффект при флуоресценции.

Флуоресцентные белки используются и в фармацевтических исследованиях. Когда из многих сотен кандидатов подбирается вещество, дающее нужный эффект, это удобно делать на клеточных культурах, модифицированных таким образом, что эффект сопровождается экспрессией флуоресцентного белка. Тогда по наличию и интенсивности свечения можно быстро определить подходящее вещество.

В качестве курьеза Всеволод Белоусов рассказал о предложении создать трансгенные дрожжи с GFP, при помощи которых можно было бы получать нефильтрованное пиво, светящееся в синем освещении ночного клуба приятным зеленоватым светом. К сожалению для любителей экстравагантных напитков подобные идеи наталкиваются на серьезное препятствие: законодательства большинства стран сильно ограничивают использование трансгенных организмов в пищевой промышленности.

Полный текст лекции в будущем будет доступен на сайте Полит.ру.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.