Орлова Анна, 5 курс Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии

Сибирский федеральный университет
Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Орлова Анна, 5 курс
Красноярск - 2009
 Нобелевской премией по
химии за 2008 год
награждены Осаму
Симомура, Мартин Чалфи
и Роджер Цянь «за
открытие и разработку
методов использования
зеленого флуоресцентного
белка».
 Этот белок широко
применяется во всём мире
для изучения
физиологических
процессов на клеточном и
организменном уровне,
а также экспрессии генов.
Светящиеся зелёным фосфорическим
светом медузы Aequorea victoria —
организм, в котором был открыт зелёный
флуоресцентный белок.
Фото с сайта http://biomolecula.ru
Зелёный флуоресцентный белок
2
Осаму Симомура (Osamu Shimomura) из Лаборатории
морской биологии в Вудс-Хоуле (Массачусетс)
 Осаму Симомура впервые
выделил GFP у медуз, которые
обитают в водах западного
побережья Северной Америки.
В течение 20 лет, начиная с
1967 года, он каждое лето
выезжал в район Фрайди
Харбор, штат Вашингтон, и
собирал по 3 тысячи и более
медуз в день.
Фото с сайта http://strf.ru/
Зелёный флуоресцентный белок
3
Мартин Чалфи (Martin Chalfie) из Колумбийского
университета
 Работы Мартина Чалфи заложили основы
широко применяемых в наши дни методов
использования зеленого флуоресцентного
белка. В 1994 году была опубликована
статья Чалфи с соавторами, где
сообщается об успешном внедрении этого
белка в клетки кишечной палочки и
почвенной нематоды (круглого червя)
Caenorhabditis elegans и намечены
возможные способы его использования
в цитофизиологических и молекулярногенетических исследованиях.
Фото с сайта http://strf.ru/
Зелёный флуоресцентный белок
4
Роджер Цянь (Roger Y. Tsien) из Калифорнийского
университета в Сан-Диего
 Работы Роджера Цяня и его лаборатории
позволили разобраться в механизме
флуоресценции этого белка и выработать
(производя мутации в кодирующем его
гене) новые его разновидности,
в частности светящиеся не зеленым, а
другими цветами. Благодаря этому
достижению теперь в распоряжении
исследователей имеется большой набор
разных маркеров, которые можно
одновременно использовать для изучения
процессов, происходящих с разными
клетками или белками.
Фото с сайта http://strf.ru/
Зелёный флуоресцентный белок
5
Светящиеся медузы из рода Aequorea. Из таких медуз и был выделен зеленый
флуоресцентный белок (GFP, green fluorescent protein), нашедший широчайшее применение
в цитофизиологических, биохимических и генетических исследованиях во всём мире.
Фотография сделана первооткрывателем зеленого флуоресцентного белка Нобелевским
лауреатом по химии 2008 года Осаму Симомурой. С сайта Лаборатории морской биологии
(www.mbl.edu)
Зелёный флуоресцентный белок
6
Фото с сайта http://nobelprize.org/
Мартин
Чалфи и его коллеги разработали методы, позволяющие использовать зеленый
флуоресцентный белок для исследования экспрессии генов, внедряя его в клетки лабораторных
модельных объектов — кишечной палочки (Escherichia coli) и почвенной нематоды Caenorhabditis
elegans. На фото показана личинка нематоды C. elegans. ALMR и PLMR — два рецепторных нейрона,
ответственные за тактильную чувствительность. Тела нейронов выглядят как яркие светящиеся точки, а
их аксоны — как отходящие от них бледные линии. Треугольники указывают на гомологичные клетки,
расположенные на другой стороне тела червя (они светятся не так ярко, потому что не в фокусе).
Толстая стрелка указывает на ветвь нервного кольца, связанную с нейроном ALMR, а тонкие
стрелки — на слабо светящиеся тела других нейронов. В настоящее время подобные методы успешно
используются во множестве лабораторий разных стран. Иллюстрация из статьи Мартина Чалфи
с соавторами (Chalfie et al., 1994) в журнале Science.
Зелёный флуоресцентный белок
7
Типичный пример использования
флуоресцентных белков
 Два разных белка метятся зелёным
Фото с сайта http://biomolecula.ru/
и красным флуоресцентными белкáми
(их молекулярный вес около 30 кДа, что
позволяет «слить» их с большинством
клеточных белков без заметного
влияния на функции последних).
 Клетку фотографируют при облучении
ультрафиолетом
через
зелёный
и красный светофильтры, и потом
накладывают
изображения
на изображение клетки в видимом
свете (серый).
 В результате получается довольно
точная картина локализации разных
белков в клетке и относительно друг
друга.
Зелёный флуоресцентный белок
8
A green guiding star for biosciences
В настоящее время учёные используют
GFP для изучения функций клеток и
белков в живых организмах. Белки – это
химические инструменты жизни, они
контролируют большинство процессов,
происходящих в живой клетке. Каждый
процесс в живом организме происходит
благодаря механизму тысяч белков,
такие как гемоглобин, антитела и
инсулин. Некоторые сбои в работе
белков приводят к болезням. Таким
образом, изучение роли различных
белков в функционировании организма
оказывается фундаментальной задачей
для
биологии.
Используя
ДНКтехнологию, учёные соединяют GFP к
интересующему, но к тому же
невидимому, белку. GFP функционирует
как маленький фонарь, активируемый
ультрафиолетовым светом. Зелёное
свечение помогает учёным отслеживать
эти белки в организме.
Зелёный флуоресцентный белок
Фото с сайта http://nobelprize.org/
9
Флуоресцентные белки в визуализации
заболеваний
• Слева:
Бесшёрстная мышь (специальная лабораторная
порода), экспрессирующая красный флуоресцентный белок.
• Справа: Опухоль мозга, экспрессирующая флуоресцентные
белки. Этот приём иллюстрирует возможность использования
флуоресцентных белков для прижизненной окраски целого
организма или его частей. Следует отметить, что такие маркеры
в будущем может смогут предупреждать людей о начальных
стадиях серьёзных заболеваний.
Фото с сайта http://biomolecula.ru/
Зелёный флуоресцентный белок
10
Клетки мозга лабораторной мыши, светящиеся разными цветами
за счет внедренных в их хромосомы в разных сочетаниях
флуоресцентных белков трех разных цветов, полученных на основе
зеленого флуоресцентного белка. Роджер Цянь, разделивший
Нобелевскую премию по химии 2008 года с двумя другими учеными,
изучил
физико-химические
причины
свечения
зеленого
флуоресцентного белка и с помощью прицельных мутаций в его гене
получил гены флуоресцентных белков других цветов. Использование
таких белков, в частности, облегчает изучение связей между
множеством нейронов головного мозга.
Фото © AP Photo/Harvard University, Livett-Weissman-Sanes-Lichtman с сайта www.nytimes.com
Зелёный флуоресцентный белок
11
Картинки, получаемые при использовании GFP, были настолько
красивыми, что поразили воображение и художников, и теперь целое
направление — SCIART — развивается и за рубежом, и в России.
 Пейзаж с закатом в Сан-Диего,
написанный колониями
бактерий, высаженных на
питательную среду в чашке
Петри. В разных колониях
синтезируются
флуоресцентные белки
разного цвета, полученные на
основе зеленого
флуоресцентного белка
медузы Aequorea.
 Художник — Натан Шейнер
(Nathan Shaner), сотрудник
лаборатории Роджера Цяня,
фотограф — Пол Штейнбах
(Paul Steinbach).
 Фото с сайта upload.wikimedia.org
Зелёный флуоресцентный белок
12
 GFP используют как сенсор на мышьяк, часто
отравляющий источники питьевой воды в Африке. Его
встраивают в геном бактерий, устойчивых к действию
мышьяка, и добавляют эти бактерии в исследуемую
воду. Если в результате вода начнёт светиться
зелёным — то даже неспециалисту будет понятно, что
пить её, пожалуй, не стоит.
 Большой ажиотаж вызвало получение в одной из
лабораторий Тайваня зеленых светящихся поросят.
Впрочем, они были выведены, по-видимому, не столько
в рекламных целях, сколько для изучения процессов
развития органов и тканей, но это тот случай, когда
научные достижения настолько эффектны, что
привлекают внимание широких кругов публики.
Зелёный флуоресцентный белок
13
Используемые источники:
 http://nobelprize.org/
 http://elementy.ru/news/430871
 http://strf.ru/ - Электронное издание «Наука и
технологии России»
Зелёный флуоресцентный белок
14