Нобелевскую премию 2008 года в области химии разделили Осаму Симомура, Мартин Челфи и Роджер Циен — за исследования, связанные с так называемым зеленым флуоресцентным белком — GFP. Нобелевский комитет сравнил открытие этого белка с другой революцией в биологии — изобретением микроскопа
GFP (Green fluorescent protein) — это белок, который под воздействием ультрафиолета светится зеленым светом. Открытый Осаму Симомурой (он обнаружил его почти 50 лет назад у тихоокеанских медуз), белок поначалу рассматривался как лабораторная диковина. Но в конце 1980-х Мартин Челфи показал, что GFP можно встраивать в разнообразные живые организмы и «подглядывать» за происходящими в них процессами. Например, в 2006 году американский исследователь Карел Свобода создал с помощью GFP генетически модифицированную мышь. Заставляя ее решать «интеллектуальные» задачи, он наблюдал через прозрачное окошко, встроенное в ее череп, за возбуждением областей мышиного мозга. По-настоящему широкое распространение «зеленый белок» получил после работ Роджера Циена, который создал многоцветную «палитру» таких белков и методов их использования. Нобелевский комитет аргументировал свой выбор так: «Никакое другое из недавних открытий не оказало такого большого влияния на постановку и интерпретацию экспериментов в биологических науках, как открытие GFP. С 1992 года использование GFP было упомянуто более чем в 20 тыс. научных публикаций».
Все гениальное просто
Идея использования GFP довольно проста, хотя для ее осуществления потребовалось полстолетия развития молекулярной биологии. Каждый белок в клетке синтезируется с помощью инструкции, записанной в ДНК. Если ввести в клетку кусочек ДНК с рецептом производства GFP, то клетка синтезирует GFP и начнет светиться. Но как заставить светиться только определенные клетки, например, только нейроны (нервные клетки) во время деления? А вот как. Каждый процесс в клетке происходит с помощью белков-энзимов, которые сами по себе не светятся. Возле инструкции-гена по выработке белка-энзима находится так называемый молекулярный переключатель, который определяет, следует ли клетке вырабатывать данный белок-энзим в данный момент времени или нет. Если химическими методами в пробирке присоединить копию этого молекулярного переключателя к ДНК-инструкции по выработке GFP и ввести такую химическую конструкцию в клетку, то клетка начнет светиться тогда и только тогда, когда синтезируется белок, ответственный за рост нервной ткани. Таким образом, клеточный приказ на производство белка-энзима будет одновременно и приказом на производство светящегося белка GFP. После этого исследователь может увидеть в микроскоп, в какой части живой ткани делятся нейроны — эти части будут светиться.
Раньше считалось, что «нервные клетки не восстанавливаются». Сейчас не только известно, что некоторые нервные клетки у взрослых продолжают делиться; благодаря GFP этот процесс можно увидеть в микроскоп, используя технологию, разработанную в 2005 году профессором Масахиро Ямагучи (университет Токио) и испытанную на генетически модифицированных мышах. Возможно, в будущем эти исследования приведут к победе над болезнью Альцгеймера, которая отравляет старость 25% людей старше 80 лет. Уже сейчас GFP помогает определить степень повреждения нервной ткани при этой болезни.
Светящиеся медузы Симомуры
Осаму Симомура родился в 1928 году в Японии, в семье офицера. Его детство прошло в Киото, Маньчжурии, Осаке и Нагасаки, где он находился в момент ядерного взрыва американской бомбы. Несмотря на ужасы войны и трудности послевоенного периода, Симомура занялся наукой — сначала в фармацевтическом колледже в Нагасаки, а затем в университете Нагои. Профессор Ямашита Хирата из Нагои дал молодому ученому очень трудную задачу: выделить вещество, которое заставляет светиться моллюск Cypridina. С этой проблемой не справились эксперты-американцы, и никто не ожидал, что с нею справится Симомура. Но он справился. И его немедленно пригласили работать в Принстон. А университет Нагои на прощание вручил молодому ученому докторскую степень (Ph.D).
В 1961 году Симомура отправился вместе со своим научным руководителем Франком Джонсоном на Западное побережье США, где они занялись изучением светящихся зеленым цветом медуз Aequorea victoria. Они выловили около 10 000 медуз и после сложных манипуляций получили несколько миллиграммов светящегося вещества, которое назвали «экворин» (aequorin). К удивлению Джонсона и Симомуры, это вещество светилось не зеленым, а голубым цветом. Откуда же взялось зеленое свечение? Оказалось, что в «выжимке» из медуз присутствовал не только экворин, но и другой белок, который поглощал голубой свет от экворина и превращал полученную энергию в зеленый свет. Этот другой белок и был назван зеленым флуоресцентным белком.
Зелень против рака
Идея использовать GFP для практических целей впервые возникла у американского биолога Дугласа Прашера в 1987 году. Прашер предложил с помощью лабораторных манипуляций прицепить ДНК-рецепт GFP к гену, кодирующему гемоглобин,1 чтобы получать организмы со светящейся зеленым светом кровью. Это было бы полезно для исследования раковых опухолей, которые «заставляют» организм выращивать вокруг себя кровеносные сосуды. Когда рост таких сосудов подавляется, опухоль «задыхается» и иногда перестает расти. Еще до GFP ученые применяли другие вещества (например, люциферин из светлячков) как маркеры, но эти вещества были ядовиты, или светились только с дополнительными условиями (в присутствии ионов магния), или их молекулы были слишком громоздки и мешали работе белка, к которому они прицеплялись. GFP был неядовит, светился сам, а его молекула, как установил еще Симомура, была небольшого размера.
Не судьба
У Дугласа Прашера закончился двухлетний грант ($200 тыс.) от Национального института рака, и он не завершил исследование. Перед окончанием проекта Прашер разослал ДНК клонированного им GFP в другие лаборатории, в частности, в лабораторию Мартина Челфи, который довел разработку до конца и получил Нобелевскую премию. Сам Мартин Челфи признает, что если бы не обстоятельства, то именно Прашер получил бы эту самую престижную научную премию мира. Судьба Дугласа Прашера сложилась тяжело. Он переходил с работы на работу, пока не стал безработным из-за прекращения финансирования его компании NASA. Оказавшись по уши в долгах, Прашер был вынужден устроиться работать водителем микроавтобуса за $10 в час, чтобы прокормить жену и троих детей.
C. elegans Мартина Челфи
Челфи исследовал развитие нервной системы у микроскопических червей Caenorhabditis elegans,2 которые являются стандартным лабораторным животным наряду с мышами и мухами-дрозофилами. У взрослого червя C. elegans ровно 959 клеток, у каждой из которых детально исследованная «судьба» во время эмбрионального развития (то есть ученые знают, что, скажем, клетка номер такой-то становится частью половых органов, а клетка номер такой-то — нервным узлом). Так как клетки C. elegans еще и прозрачные, то на его примере очень удобно наблюдать, как «чертежи» организма, записанные в ДНК, превращаются в строящееся тело червя. Челфи ввел в половые органы червя жидкость с ДНК, каждая молекула которой включала два кусочка — клон GFP и «молекулярный переключатель» белка, который активируется при строительстве нервной системы. В 1994 году журнал Science опубликовал статью Челфи и фотографию червя со светящимися нейронами.
Но именно третий нобелевский лауреат, Роджер Циен, досконально исследовал химическую структуру GFP и создал модификации этого белка, которые засветились всеми цветами радуги — желтым, оранжевым, аквамариновым и другими. Теперь ученые могли исследовать несколько биохимических процессов внутри одного организма одновременно, «помечая» действие разных рабочих белков различными цветами версий GFP.
Пути науки неисповедимы...
GFP еще раз демонстрирует, насколько взаимосвязанной стала современная наука. Каждый раз, когда СМИ сообщают о находке каких-нибудь экзотических глубоководных раков или медуз, на интернет-форумах появляются недоумевающие налогоплательщики, которые спрашивают: «Почему государство тратит наши деньги на раков или медуз, а не на поиск лекарства против рака?» К сожалению (или к счастью), наука не работает как «плановое хозяйство». Работа Симомуры с медузами через четыре десятилетия привела к появлению универсальных светящихся «маркеров» биологических процессов, которые позволили наблюдать поведение вирусов СПИДа, развитие рака и болезней мозга.
...и Нобелевской премии тоже
Однако история GFP была бы неполной без рассказа о дюжине других исследователей. Например, свечение медуз Aequorea victoria впервые описал не Симомура, а английские исследователи Давенпорт и Никол в 1955 году, хотя именно Симомура выделил светящееся вещество.
А Мартин Челфи также не является первым исследователем, который внедрил ген GFP в другой живой организм. Это сделала его студентка Гия Юскирчен, осуществившая в лаборатории генетическую модификацию кишечных бактерий, которые после этого стали светиться в ультрафиолете. Технологию, которую применила Гия, сейчас используют даже для обучения детей биотехнологии. Например, в Технологическом музее инноваций в Сан-Хосе (Калифорния) 10-летние юные биологи манипулируют пробирками с ДНК и получают светящиеся бактерии.
А исследования Роджера Циена были бы неполны без работ российских биохимиков Сергея Лукьянова и Михаила Матца, которые обнаружили родственные «красные белки» в кораллах из московского аквариумного магазина. Один из этих белков был назван Katushka по имени Екатерины Мерзляк, работающей вместе с Лукьяновым.
Почему же все эти люди не получили своей части Нобелевской премии? Дело в том, что по правилам Нобелевского комитета одну премию могут получить не более чем трое ученых (хотя, согласно журналу Nature, это правило не было установлено самим Нобелем). В нобелевские лауреаты выбираются ученые, которые, так сказать, «пропахали самую глубокую борозду», то есть потратили десятилетия своей жизни на глубокие исследования важных проблем. Поэтому по нобелевской традиции именно Симомура, Челфи и Циен заслужили премию.
…47 лет назад Осаму Симомура задался вопросом, ответ на который он искал всю жизнь. Он понял, как медузы светятся, но не понял, зачем они это делают. Многие животные моря светятся, чтобы привлечь сексуального партнера или напугать хищника. Но почему эволюция привела к светящимся медузам? Возможно, кто-то другой сумеет ответить на этот вопрос. И получит Нобелевскую премию. Или не получит.
_______________
1 Гемоглобин — белок, переносящий кислород в красных кровяных тельцах.
2 Их чаще называют сокращенно — C. elegans.
