О. Симомура М. Чалфи Р. Цянь

Осаму Симомура (Osamu Shimomura) – японский химик-органик и морской биолог. Родился в Киото в 1928 г. Вырос в Маньчжурии и Осаке, где его отец, военный офицер, проходил службу. Позже его семья переехала в Нагасаки. Подростком Осаму Симомура в результате атомной бомбардировки Нагасаки на несколько недель потерял зрение. В 1951 г. он окончил Университет Нагасаки, а с 1955 года работал в Нагойском университете, где начал исследования флуоресценции морских беспозвоночных и выделил белок, отвечающий за свечение некоторых остракод. В 1960 г. Симомура получил в Нагойском университете докторскую степень и переехал в США, работал сначала в Принстоне (где и открыл зеленый флуоресцентный белок, вызывающий свечение у медуз), а с 1982 года — в Лаборатории морской биологии. С 2001 года Осаму Симомура на пенсии. Он живет на полуострове Кейп-Код в штате Массачусетс, недалеко от своего последнего места работы.

Роджер Цьен (Roger Y.Tsien) родился в Нью-Йорке в 1952 г. В 1972 г. с отличием окончил Гарвардский колледж, где изучал химию и физику. В 1977 г. в университете Кембриджа получил докторскую степень по физиологии. В 1977-1981 гг. был научным сотрудником Кембриджского университета. В 1982-1989 гг. работал в Департаменте по анатомии-физиологии Калифорнийского университета в Беркли. С 1989 г. работает в университете Калифорнии в Сан-Диего. Профессор фармакологии, химии и биохимии. В 1998 г. доктор Цьен был избран членом Национальной академии наук.

Мартин Чалфи (Martin Chalfie) родился в Чикаго в 1947 г. Получил ученую степень в области физиологии в Гарвардском университете. С 1982 г. – профессор Колумбийского университета. Работает в области клеточной дифференциации, в области его особых интересов – развитие функции нервных клеток круглых червей (нематод).

Начав изучение биохимии, Симомура, в частности, занимался проблемой излучения света некоторыми морскими формами. Многие морские беспозвоночные светятся — сами по себе (используя энергию химических процессов) или под действием ультрафиолетового или видимого света (поглощая фотоны с одной длиной волны и испуская с другой). В основе этого свечения лежат разнообразные органические вещества. Одно из таких веществ — зеленый флуоресцентный белок медуз из рода Aequorea. В ультрафиолетовом освещении этот белок светится голубовато-зеленым светом. Осаму Симомура в 1962 г. открыл Green Fluorescent Protein (зеленый флуоресцентный белок) в маленькой светящейся медузе Aequorea Victoria (рис.8). В ходе исследований Симомура установил: чтобы излучать свет, Aequorea выпускает ионы кальция, которые связываются с белком. Такой белок Симомура назвал экворином (aequorin).

Симомура пришел к выводу: именно кальцесвязывающий белок производит свечение. Открытие ученого и его исследования многочисленных субстратов и ферментов, которые приводят к излучению света, сделали его ведущим в мире экспертом по люминесцентной химии.

Рис.8. 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

Дальнейшие работы, посвященные зеленому флуоресцентному белку, позволили найти кодирующий его ген и внедрять этот ген в живые клетки различных организмов. В медицинских и биохимических исследованиях зеленым флуоресцентным белком или его производными помечают те или иные клетки и вещества и, благодаря свечению, отслеживают их расположение в пространстве и происходящие с ними изменения. Внедрив ген светящегося белка в клетку вместе с каким-либо другим геном, можно следить за тем, где и с какой интенсивностью внедренные гены экспрессируются (то есть обеспечивают синтез соответствующих им белков). Зеленый флуоресцентный белок позволил ученым пронаблюдать многие скрытые процессы и структуры, например рост и характер связей нейронов, а также распространение раковых клеток в организмах лабораторных животных.

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. В настоящее время подобные методы успешно используются во множестве лабораторий разных стран.

Рис.9. Иллюстрация из статьи Мартина Чалфи с соавторами (Chalfie et al., 1994) в журнале Science

На рис.9 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.

Мартин Чалфи разработал новые экспериментальные методы этих исследований. Был первым, кто доказал возможность использования зеленого свечения протеина GFP в качестве светового маркера для исследований различных биологических явлений. В 1994 г. 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 молекулярно-генетических исследованиях. В 1996 г. Челфи создал голубой мутант зеленого белка, которым окрасили нематоду. В 2006 г. Мартину Челфи была присуждена премия Розенталя за выдающиеся достижения в области медицины.

Рис.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 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 (рис.10).

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.

Рис.11. 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)

Зеленый флуоресцентный белок позволил многое тайное сделать явным. Число научных работ, в которых используются он и его производные, составляет на сегодня уже несколько десятков тысяч. Не вызывает сомнений, что с помощью этой группы белков будет сделано еще немало ярких открытий.

Этот белок стал в последнее время популярен не только среди ученых. 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 (рис.11).