Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

Идея оказалась замечательной, и главное – со временем ее удалось реализовать. Сложность состояла в том, что нужно было выделить не сам флуоресцентный белок (это уже проделал ранее Симомура), а ген – участок ДНК, который в организме медузы эквореи отвечает за синтез GFP. В 1992 г. Прашеру удалось выделить нужный ген и определить в нем последовательность групп, которые кодируют синтез зеленого белка. К сожалению, Прашер не смог продолжить исследования (такое часто бывает в науке): финансирование работ было прекращено и работа приостановлена. Эстафету принял другой американец, второй лауреат упомянутой Нобелевской премии – Мартин Чалфи. Узнав на одной из конференций о работах Прашера, он связался с автором работы и получил от него необходимую информацию вместе с образцами.

Чалфи проводил исследования, используя в качестве модельных организмов специальных круглых полупрозрачных червячков (латинское название – Caenorabditis elegans). Они около 1 мм в длину, их движения (судя по имеющимся видеороликам и в полном согласии с латинским названием) достаточно элегантны. Эти червячки, состоящие точно из 959 клеток, очень подробно изучены биологами и считаются одними из наиболее подходящих объектов для экспериментов. Чалфи решил ввести в структуру ДНК изучаемых червей ген ДНК – тот, который он получил от Прашера и который кодирует в медузах синтез GFP. В итоге Чалфи удалось внедрить этот ген в живые клетки изучаемого червячка. Полученный результат произвел на исследователей очень сильное впечатление: снимок червячка со светящимися участками тела был помещен на обложке одного из самых авторитетных научных журналов – Science.

После этого во многих странах количество исследовательских работ с флуоресцирующим белком стало стремительно расти. Ген, вводящий в живой организм светящуюся метку, стали называть репортерным. Он позволил проводить тонкие исследования с различными генетически модифицированными организмами, причем объект не требовалось препарировать или каким-либо образом разрушать – стало возможным наблюдать многие скрытые процессы визуально. Впервые ученые смогли под микроскопом следить в режиме реального времени, например, за ростом и характером связей в нейронах или за распространением раковых клеток в организмах лабораторных животных.

Все цвета радуги

Многие исследователи отмечали, что при воздействии ультрафиолетового света флуоресцентные белки постепенно «портятся», и флуоресценция гаснет. Третий лауреат премии – Роджер Тсиен, американец китайского происхождения, описал схему синтеза хромофорной группы (она была показана на рис. 2.8) и затем нашел способы целенаправленно изменять ее структуру для того, чтобы сделать более стабильной, а флуоресценцию – более яркой. Фактически это была необычайно тонкая работа химика-синтетика. Более того, он разработал способы получения хромофорных групп, которые флуоресцируют разными цветами, благодаря чему можно одновременно следить за несколькими процессами, происходящими в живых клетках, – например, различать раковые и нормальные клетки. В настоящее время эти белки используют практически в любой лаборатории, где ведутся исследования в области молекулярной биологии или биологии клетки.

Рекламная яркость научной работы

Далеко не каждая серьезная научная работа имеет впечатляющее красочное продолжение – причем в той области, которая понятна почти каждому человеку, в том числе и далекому от науки. Имея широкий набор цветных белков, ученые стали вводить флуоресцирующий ген в организмы разных животных, и в результате отдельные участки тела (или даже весь организм) стали светящимися. Научные журналы запестрели цветными снимками флуоресцирующих мушек дрозофил, кроликов, обычных и летучих мышей.

Особенно сильное впечатление произвело сообщение группы тайваньских биохимиков, которые под руководством профессора Шинь-Джи в 2006 г. создали флуоресцирующих поросят, для чего потребовалось с помощью необычайно тонкой экспериментальной техники ввести соответствующие гены в эмбрионы свиней. Эти поросята при дневном свете имеют отчетливый зеленоватый цвет кожи и глаз. Более того, у них даже сердце и внутренние органы – зеленого цвета! В других опытах они имеют ярко окрашенные оранжевые пятачки.

Подобные научные достижения настолько впечатляющи, что привлекают внимание не только ученых, но и широкой публики. Тем не менее все это было проделано не для внешнего эффекта. Опыты с различными биологическими тканями свиней наиболее точно моделируют соответствующие процессы в тканях человеческого организма. Основная цель выведения таких свиней – визуальное наблюдение за развитием тканей при пересадке стволовых клеток. Кратко поясним, что ставшие в последнее время популярными стволовые клетки после введения в организм находят поврежденную зону, далее изменяются в зависимости от того, где они находятся, то есть приобретают нужную "специализацию" и начинают развиваться, как обычные клетки. Иными словами, они могут наращивать поврежденный орган. С помощью цветных индикаторов можно будет определять, получил ли организм генетическую вставку, введенную методами генной инженерии. При изучении онкологических заболеваний стало возможным следить за развитием здоровых и больных клеток.

Не только восторги

Факт присуждения Нобелевской премии всегда сопровождается восторженными отзывами научной общественности в газетах, журналах, на телевидении и на радио. В большинстве случаев такое вполне оправданно, однако ничто не мешает нам взглянуть на эту ситуацию более спокойно. Фактически был найден изящный аналитический метод, позволяющий следить буквально своими глазами за теми процессами, которые происходят в живых организмах, при этом какое-либо внутреннее механическое вмешательство не требуется и жизненные процессы никак не нарушаются. Можно ли все это рассматривать как выдающиеся фундаментальные работы? Академик РАН Евгений Свердлов (заведующий лабораторией структуры и функции генов человека в Институте биоорганической химии РАН) считает, что открытие и использование зеленого флуоресцентного белка сыграло очень большую роль в биологии, хотя, по мнению академика, до нобелевского масштаба оно не дотягивает и не вносит революционных изменений в биологические исследования. Академик поясняет, что до появления зеленого флуоресцентного белка использовались другие светящиеся метки – например, так называемая люцифераза, это фермент, в котором для свечения используется энергия химической реакции.

Еще один грустный момент связан с обсуждением того, сколь справедливо выбраны лауреаты. Помимо упомянутых биохимиков, крупный вклад в создание и развитие флуоресцентных белков внес российский ученый, академик РАН, заведующий лабораторией молекулярных технологий для биологии и медицины Института биоорганической химии РАН Сергей Лукьянов. Вместе со своими коллегами он создал целый ряд исключительно стабильных белков, которые флуоресцируют различными цветами. Одними из первых эти ученые смогли получить красный светящийся белок, выделенный из коралловых полипов.

Подобные обсуждения часто возникают после объявления имен лауреатов. К сожалению, конкретную Нобелевскую премию нельзя присудить более чем трем ученым одновременно (таково непреложное правило), поэтому кто-то всегда остается обделенным – как, например, упомянутый ранее Дуглас Прашер. В частных беседах члены Нобелевского комитета иногда поясняют, что решение комитета не может удовлетворить всех, но если есть мнение, что представитель какой-либо страны несправедливо обойден, то ничто не мешает этой стране присудить своему ученому самые престижные национальные премии и воздать заслуженные почести. Здесь трудно что-либо возразить.