Świecący potencjał, czyli zastosowanie białek fluorescencyjnych

(Poczucie humoru jest oznaką inteligencji.
Studenci, którzy potrafią się bawić,
potrafią też kreatywnie myśleć.
Fot. archiwum)

Funkcjonowanie organizmów żywych jest jak wiadomo uwarunkowane przez strukturę i właściwości podstawowych cząstek określanych jako biopolimery. Zalicza się do nich między innymi białka, kwasy nukleinowe, tłuszcze i cukry. Cząstki te budują każdy organizm żywy, a przemiany i procesy zachodzące z ich udziałem są podstawą do właściwego utrzymania procesów życiowych. Poznanie mechanizmów rządzących funkcjonowaniem organizmów żywych jest możliwe zatem dzięki metodom badawczym, które są realizowane na poziomie molekularnym. Nauką biologiczną, która obejmuje swoim zasięgiem tego typu badania, jest biologia molekularna. Należy ona do najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin i jest obecnie kluczowym źródłem postępu naukowo-technicznego w obszarze nauk biologicznych.

Głównym przedmiotem badań biologii molekularnej są makrocząsteczki i ich kompleksy, takie jak DNA, RNA, białka, jak również procesy, do których zalicza się między innymi replikację, transkrypcję, czy translację. W celu przeprowadzania analiz wchodzących w skład diagnostyki molekularnej, konieczne jest zastosowanie wysoko wyspecjalizowanych technik badawczych. Ich różnorodność jest ogromna i są one ciągle udoskonalane, doprowadzając do tego, że wiedza na temat przebiegu procesów zachodzących w organizmach na poziomie komórkowym jest coraz większa i pełniejsza. Warto zwrócić jednak uwagę na fakt, że istnieje możliwość przeprowadzania badań z użyciem nieocenionego, naturalnie występującego w środowisku potencjału, jakim są białka fluorescencyjne. Odkrycie i wyizolowanie białka zielonej fluorescencji, występującego u meduzy Aequorea victoria było impulsem do wykorzystania go jako uniwersalnego i szeroko stosowanego narzędzia w biologii molekularnej.

Białko zielonej fluorescencji (ang. green fluorescent protein, GFP) należy do białek zdolnych do emisji światła widzialnego podczas wzbudzenia go światłem o odpowiedniej długości fali. Białko to występuje w sposób naturalny w żywych organizmach, takich jak stawonogi, mięczaki czy ryby. Najlepiej dotychczas zostało jednak poznane białko zielonej fluorescencji pochodzące z meduzy Aequorea victoria, należącej do gromady stułbiopławów (Hydrozoa). Gatunek zajmuje głównie obszar zachodniego wybrzeża Ameryki Północnej, czyli zimne wody północno-zachodnich rejonów Oceanu Spokojnego. Funkcją bioluminescencji u tych organizmów jest najprawdopodobniej obrona przed napastnikiem, gdyż wytworzone jasne światło może działać oślepiająco na przeciwnika. Cechą wyróżniającą GFP i inne białka wykazujące fluorescencję to posiadanie chromoforu, stanowiącego unikalną sondę fluorescencyjną zamkniętą w mikrośrodowisku, który stanowi białkowe rusztowanie w postaci „beta-beczułki”. W ten sposób właściwości fluorescencyjne są w ograniczony sposób narażone na zmieniające się warunki mikrośrodowiska w miejscu, w którym umieszczone zostało białko.

Udoskonalanie białka zielonej fluorescencji poprzez modyfikacje genetyczne uzyskane za pomocą technik inżynierii genetycznej doprowadza do bardzo efektywnego wykorzystania tego bogactwa natury. Zyskują one w ten sposób intensywniejszy efekt fluorescencji, większą stabilność i możliwość dłuższego obrazowania. Fluoryzujące białka umożliwiają dzięki temu uwidacznianie struktur komórkowych, znakowanie białek, monitorowanie procesów zachodzących wewnątrzkomórkowo, czy konstrukcję specyficznych biosensorów. Dzięki przeprowadzaniu odpowiednich fuzji pomiędzy genami białka zielonej fluorescencji a genami wybranego białka możliwe jest otrzymanie fuzyjnych białek wykazujących fluorescencję. Umożliwia to monitorowanie lokalizacji i losu białek w komórce w sposób przyżyciowy bez stosowania żadnych inwazyjnych technik.

Śledzenie procesów wewnątrzkomórkowych umożliwia też technika badawcza FRET. Polega ona na przekazywaniu w sposób bezpromienisty energii pomiędzy dwoma białkami fluorescencyjnymi, w wyniku czego po wzbudzeniu pierwszego białka światłem o odpowiedniej długości fali, uzyskuje się świecenie drugiego białka, które znajdowało się w odpowiedniej odległości od białka wzbudzanego. Umożliwia to obserwację, w jaki sposób dane białka wzajemnie na siebie oddziałują. Białka fluorescencyjne sprawdzają się też idealnie w roli genów reporterowych. Wykorzystywane są do bezpośredniego badania ekspresji praktycznie każdego genu w pojedynczych komórkach bądź też tkankach. Poza tym istnieje też możliwość wykorzystania białek fluorescencyjnych w medycynie.

Prowadzone są badania nad białkiem, nazywanym jako UnaG, które zostało niedawno wyizolowane z węgorza japońskiego (Anguilla japonica). Białko to, w przeciwieństwie do GFP, nie świeci samoistnie, lecz jedynie po związaniu się z bilirubiną. Oznacza to, że białko może być wykorzystane do wykrywania tego barwnika w organizmie, co może być ważnym wskaźnikiem w przypadku wielu chorób, takich jak niedokrwistość czy schorzenia wątroby. Wymienione możliwości zastosowania białek fluorescencyjnych to jednak jedynie namiastka tego, w jaki sposób mogą przybliżyć one istotę tak bardzo ważnej i popularnej współcześnie nauki, jaką jest biologia molekularna. Być może to dopiero początek ich kariery i w najbliższym czasie pozwolą na dokonanie nowych, przełomowych odkryć w tej dziedzinie.

Karolina Krajza,
studentka biotechnologii