Флуоресцентные белки освещают науку, делая невидимое видимым

Белки, вирусы и бактерии внутри живых клеток невидимы невооружённым глазом. Однако техника с использованием флуоресцентных белков может подсветить молекулярные механизмы клеток, как микроскопический фонарик.

Первый флуоресцентный белок, обнаруженный в природе, происходит из медузы Aequorea victoria и называется зелёный флуоресцентный белок (GFP). Флуоресцентные белки поглощают свет с короткими длинами волн (например, синий) и немедленно испускают свет другого цвета с большей длиной волны (например, зелёный).

После GFP было найдено и создано в лаборатории множество других флуоресцентных белков. Теперь доступен целый спектр флуоресцентных цветов, делающих ранее невидимые биологические структуры и процессы видимыми.

Новые методы визуализации

Технология флуоресцентных белков привела к созданию новых методов для улучшения визуализации.

• CaMPARI (calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator) использует тот факт, что концентрация кальция меняется при передаче сигналов нервными клетками. Метод позволяет подсветить все нейроны, которые активировались в живом организме. Нейроны, генетически модифицированные CaMPARI, светятся красным, если они активны, и зелёным, если менее активны.
• Микроскопия расширения (expansion microscopy), разработанная Эдом Бойденом, использует акрилат для равномерного увеличения мозга примерно в 4.5 раза в каждом направлении. Это делает флуоресцентные нейроны глубоко в мозге более видимыми.
• Метод CLARITY, созданный Карлом Дайссеротом и Вивианой Градинару, удаляет непрозрачные молекулы (например, жиры) и делает мозг прозрачным, не меняя его формы. Метод был расширен на все другие органы, включая целую мышь.

Оба последних метода можно применять к мозгам, генетически модифицированным флуоресцентными белками, что позволяет визуализировать нейроны в глубине мозга.

Признание и потенциал

В 2008 году три учёных, ответственных за превращение GFP из медузы в распространённый инструмент, используемый по всему миру, получили 100-ю Нобелевскую премию по химии. В 2014 году ещё трое учёных были удостоены Нобелевской премии за использование флуоресцентных белков для увеличения разрешения световых микроскопов.

Плазмидные молекулы ДНК, кодирующие GFP, продемонстрировали удивительную устойчивость: 53% ДНК, намеренно размещённой снаружи ракеты TEXUS-49 (где они подвергались температурам до 1000°C и сильному трению), экспрессировали полностью флуоресцентный GFP после возвращения на Землю.

В будущем флуоресцентные белки могут направлять хирургов к опухолям во время операции и позволять исследователям включать и выключать выбранные биомолекулярные процессы.