Zielone światło biotechnologii

Japończyk Osamu Shimomura oraz Amerykanie Martin Chalfie i Roger Y. Tsien zostali nagrodzeni za badania nad tzw. zielonym białkiem fluoryzującym (GFP). To dziś podstawowe narzędzie stosowane w biologii. Pozwala na znakowanie białek i umożliwia obserwowanie tego, co się dzieje w organizmie.

– Możemy spojrzeć na zwierzę i wskazać, które geny są aktywne – mówił uszczęśliwiony Chalfie. – Mają własne światełko, które pokazuje, co się z nimi dzieje. Chalfie przyznał, że przegapił telefon z Komitetu Noblowskiego z informacją o nagrodzie. – Po prostu go przespałem. Ale gdy zajrzałem do laptopa, okazało się, że mam Nobla.

– Były takie plotki, ale i tak jestem zaskoczony – powiedział Roger Y. Tsien. Tsien był wymieniany jako jeden z murowanych kandydatów do Nobla (o tych prognozach „Rz” pisała przed tygodniem). Podkreślił też, że spore zasługi mieli również inni badacze. – Wiem, że Nobla mogą dostać tylko trzy osoby, więc komisja miała trudny orzech do zgryzienia.

„Naukowcy mogą połączyć znacznik GFP z innymi interesującymi, lecz niewidocznymi białkami. Świecąca na zielono cząsteczka umożliwia obserwowanie ich ruchów, pozycji i interakcji” – można przeczytać w uzasadnieniu werdyktu Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. „Dzięki tej technice można obserwować los oznakowanych komórek: uszkodzenia neuronów wywołane chorobą Alzheimera czy powstawanie komórek trzustki wytwarzających insulinę”.

[srodtytul]Na początku była meduza[/srodtytul]

Tegoroczny chemiczny Nobel jest podzielony na trzy równe części. Naukowcy pracowali niezależnie od siebie, stopniowo udoskonalając technikę znakowania za pomocą GFP.

Podstawy dał Osamu Shimomura, który w połowie lat 50. ubiegłego stulecia analizował skład chemiczny substancji odpowiedzialnej za świecenie morskich zwierząt. Skupił się na meduzie Aequorea victoria żyjącej na zachodnim wybrzeżu USA. Występujące na obwodzie jej ciała komórki świecą słabym zielonym światłem.Shimomura schwytał ok.

10 tys. osobników tego gatunku. Przez kilka miesięcy „wyciskał” świecącą substancję (ekworynę). Uzyskał w ten sposób zaledwie kilka miligramów, ale zaobserwował, że świeci na zielono, gdy podda się ją działaniu ultrafioletu. Odkrycie ekworyny i obecnego w niej zielonego białka fluoryzującego GFP opisał dopiero w 1962 roku.

Na przełom związany z wykorzystaniem świecącego na zielono białka nauka musiała jednak poczekać aż ćwierć wieku. W 1988 roku o GFP przypadkowo usłyszał Martin Chalfie. Zajmował się wtedy ulubionym zwierzęciem biologów – nicieniem Caenorhabditis elegans. Ulubionym, bo nieskomplikowanym, składającym się z zaledwie kilkuset komórek, z genami zbliżonymi do ludzkich. C. elegans jest przezroczysty, dzięki czemu można go łatwo badać.

[srodtytul]Mikroskop XXI wieku[/srodtytul]

Gdy Chalfie usłyszał o GFP, zorientował się, że świecącą substancję można wykorzystać do śledzenia biologii nicienia. Ale aby posługiwać się znacznikiem, musiał znaleźć sposób na produkcję substancji w badanym organizmie. Czyli znaleźć w genomie meduzy Aequorea victoria fragment odpowiadający za wytwarzanie świecącej substancji i przenieść go do innego organizmu.

Gdy się to udało, gen trzeba było wypróbować. Wszczepiono go bakteriom E. coli, a te zaczęły pod wpływem ultrafioletu świecić na zielono. Wkrótce ten sam gen umieszczono w złożonym organizmie – nicieniu C. elegans. Robak ze świecącymi na zielono komórkami wewnątrz ciała pojawił się na okładce „Science” w 1994 roku. Dzięki nowej metodzie wykorzystującej tzw. geny reporterowe naukowcy mogli zajrzeć do wnętrza żyjącego organizmu i sprawdzić, co w danej chwili dzieje się z komórkami.

Opracowaną przez Chalfiego metodę można porównać do czarno-białej telewizji. Trzeciemu tegorocznemu laureatowi, Rogerowi Tsienowi, nauka zawdzięcza „telewizję kolorową”. Metodą prób i błędów Tsien wyprodukował nowe odmiany cząstek GFP. Podmieniając kilka z 238 aminokwasów tworzących GFP, uzyskał cząsteczki świecące na niebiesko, żółto i czerwono. W ten sposób można oznaczyć więcej różnych białek i badać zależności między nimi.

Jednym z najbardziej spektakularnych eksperymentów wykorzystujących technikę znakowania kolorami jest wyhodowanie genetycznie modyfikowanych myszy, których neurony wytwarzają świecące cząsteczki. Efektem był mysi mózg błyszczący kolorami tęczy.

Naukowcy wyhodowali już m.in. myszy, koty, a nawet świnie wyposażone w dodatkowe geny kodujące kolorowe znaczniki. Są też świecące w ciemności zabawki wykorzystujące GFP. Metody tej używa się zresztą nie tylko do badań biologicznych, ale też np. do wykrywania zanieczyszczeń wody.Badaczom nie udało się jednak dotychczas rozwiązać jednej zagadki. Po co meduzie świecąca substancja?

[ramka][b]Poprzedni laureaci Nagrody Nobla z chemii[/b]

[b]2007[/b]

- Niemiec Gerhard Ertl za badania procesów zachodzących na powierzchni ciał stałych

[b]2006[/b]

- Roger D. Kornberg z USA za ustalenie, że informacja genetyczna jest wykorzystywana do produkcji białek w komórkach

[b]2005[/b]

- Yves Chauvin (Francja) oraz Robert H. Grubbs i Richard R. Schrock (USA) za odkrycie reakcji metatezy – wymiany grup atomów między cząsteczkami

[b]2004[/b]

- Aaron Ciechanover i Avram Hershko (Izrael) oraz Irwin Rose (USA) za badania procesów oczyszczania się komórek ze zbędnych białek

[b]2003[/b]

- Peter Agre i Roderick MacKinnon (USA) za poznanie kanałów wodnych w komórkach i kanałów jonowych w błonach komórkowych

[b]2002[/b]

- John B. Fenn z USA, Japończyk Koichi Tanaka oraz Szwajcar Kurt Wuethrich za badania nad makrocząsteczkami biologicznymi i metodami spektrometrii

[b]2001[/b]

- Amerykanie William S. Knowles i K. Barry Sharpless oraz Japończyk Ryoji Noyori za prace nad asymetryczną katalizą reakcji uwodorowania oraz utleniania

[b]2000[/b]

- Alan J. Heeger i Alan G. MacDiarmid (USA) oraz Hideki Shirakawa (Japonia) za odkrycie polimerów przewodzących prąd

[b]1999[/b]

- Egipcjanin Ahmed H. Zewail za prace przy użyciu spektroskopii femtosekundowej

—astan, pap[/ramka]

[ramka][b]Osamu Shimomura - emerytowany profesor biochemii Uniwersytetu Princeton w New Jersey[/b]

Urodził się w 1929 roku w Kioto w Japonii. Kiedy był kilkunastoletnim chłopcem, na własne oczy zobaczył wybuch bomby atomowej w Nagasaki. Ta ciekawość kosztowała go utratę wzroku na kilkanaście tygodni.

Po odzyskaniu wzroku postanowił poświęcić się studiom biochemicznym. Rozpoczął naukę farmacji na Uniwersytecie Nagasaki, następnie studiował chemię organiczną na Uniwersytecie Nagoja. W latach 1960 – 1963 był stypendystą Uniwersytetu Princeton w USA. Po powrocie do Japonii przez dwa lata pracował jako wykładowca na Uniwersytecie Nagoja. Potem wrócił do USA na Uniwersytet Princeton, gdzie pracował (od 1980 r. jako profesor) do przejścia na emeryturę w roku 2001.

W 1955 rozpoczął pracę nad wyjaśnieniem, dlaczego niektóre organizmy morskich zwierząt świecą. Z pasją przekraczającą zwykłe akademickie zainteresowania poświęcił się badaniu żywych organizmów, które świeciły wokół wraków okrętów podwodnych zatopionych podczas II wojny światowej. Miało to znaczenie praktyczne, gdyż podczas wojny łodzie podwodne były wykrywane dzięki temu, że pobudzały organizmy do świecenia. W 1960 r., kiedy pracował już na Uniwersytecie Princeton, skoncentrował się na badaniu meduzy z gatunku Aequorea victoria.

W roku 1962 wyizolował zielone białko fluoryzujące (GFP). Zbadanie tego białka i poznanie biochemicznego mechanizmu prowadzącego do emisji światła okazało się najważniejszym dziełem życia uczonego. Ponadto uczyniło z Osamu Shimomury najpoważniejszego eksperta w dziedzinie chemii luminescencyjnej.

Pracę naukową dzielił z pasją osobistą. Począwszy od roku 1967 przez kolejne 20 lat wakacje letnie spędzał w porcie Friday Harbor w stanie Waszyngton. Razem z córką i synem dziennie zbierali kilka tysięcy meduz. Szacuje się, że podczas swoich badań noblista zebrał ponad milion okazów tych stworzeń. Na emeryturze kontynuuje badania w laboratorium w piwnicy własnego domu.

—kru[/ramka]

[ramka][b]Martin Chalfie - profesor Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku[/b]

Ma 61 lat. O najważniejszym naukowym wyróżnieniu przedstawiciele Komitetu Noblowskiego poinformowali Chalfiego jedynie e-mailem: – Niestety, nie mogliśmy się z nim skontaktować telefonicznie. Automatyczna sekretarka pod numerem telefonu naukowca poinformowała, że jest przepełniona, pozostawał więc jedynie e-mail – powiedział Gunnar Oequist, sekretarz Szwedzkiej Akademii Nauk.Martin Chalfie uzyskał doktorat z neurobiologii w Harvard University jako 30-latek. – Na studiach byłem najlepszy z matematyki, ale ostatecznie zabrałem się za biochemię i neurobiologię, ponieważ zamierzałem wkroczyć na jakieś nieznane pole, chciałem czegoś dokonać w nauce, choćby czegoś niewielkiego. Od najmłodszych lat interesowałem się właściwie wszystkimi dyscyplinami naukowymi, łącznie z archeologią. Jako dziecko pasjami oglądałem komiksy przyrodnicze. W szkole zawsze należałem do kółek naukowych i aktywnie w nich uczestniczyłem – wyznaje tegoroczny laureat.Rezultaty eksperymentu na nicieniu, który przyniósł mu sławę, opublikował na łamach tygodnika „Science“ w 1994 roku. Pozostaje on wciąż jednym z 20 najczęściej cytowanych artykułów naukowych w dziedzinie biologii molekularnej i genetyki. Uzasadniając przyznanie tegorocznej nagrody Martinowi Chalfiemu, Komitet Noblowski stwierdził: „Fluorescencyjne białko GFP, które rozpracował tegoroczny laureat, było w ciągu ostatniej dekady niczym gwiazda przewodnia prowadząca biochemików, biologów działających na niwie medycyny. Jej blask przyświecał badaczom zmagającym się z nowotworami i chorobą Alzheimera.

W roku 2004 Martin Chalfie został członkiem Amerykańskiej Akademii Nauk. Ma na swoim koncie ponad 200 artykułów w czasopismach naukowych. Od 1982 roku pracuje jako profesor biologii w nowojorskim Uniwersytecie Columbia. Wychował liczne grono studentów i doktorantów.

—k.k.[/ramka]

[ramka][b]Roger Y. Tsien - profesor na Wydziale Chemii i Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego[/b]

Noblista, choć urodził się w Nowym Jorku w 1952 roku, pochodzi z rodziny chińskich emigrantów.Wśród dalszych i bliższych krewnych miał wielu inżynierów (między innymi ojca i wujów), toteż sam mówi o sobie jako o inżynierze molekularnym.

W dzieciństwie cierpiał na astmę. Wiele czasu spędzał w domu, robiąc doświadczenia chemiczne w piwnicy. W wieku 16 lat otrzymał główną nagrodę w ogólnokrajowym konkursie młodych talentów Westinghouse za pracę dotyczącą wiązania się metali z tiocyjanianami.

W 1972 roku skończył z wyróżnieniem prestiżowy Uniwersytet Harvarda, gdzie studiował chemię i fizykę. Następnie pracował w laboratorium fizjologicznym University of Cambridge w Wielkiej Brytanii. Uzyskał tam stopień doktora. Później przeniósł się na Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley.

Od roku 1989 Tsien jest profesorem na Wydziale Farmakologii oraz Chemii i Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Prowadzi także badania w Howard Hughes Medical Institute.

Najważniejszym dziełem Tsiena są rozpoczęte w latach 90. ubiegłego wieku prace nad świecącym białkiem wcześniej wyizolowanym z meduzy Aequorea victoria przez Osamu Shimomurę. Roger Tsien dokładnie poznał budowę i właściwości świecącego białka, dzięki czemu udało mu się przez odpowiednie modyfikacje uzyskać całą paletę kolorów biologicznych znaczników.

Osiągnięcia Tsiena pozwoliły prześledzić w badanych komórkach i tkankach wiele różnych zjawisk. Obecnie Tsien pracuje nad uwidocznieniem komórek nowotworowych i dostarczaniem do nich leków za pomocą odpowiednich peptydów transportowych.

Tsien jest laureatem kilku prestiżowych nagród, między innymi przyznanej w 2004 roku Wolf Prize. Dwa lata później został zagranicznym członkiem Royal Society.

—kru, pap[/ramka]

[ramka][b]Komentarze[/b]

[b]prof. Elżbieta Pyza, Instytut Zoologii UJ[/b]

To nagroda zasłużona; odkrycie zielonego fluoryzującego białka GFP – tzw. białka reporterowego – ma szerokie zastosowanie, np. w badaniach nad przyczynami i metodami leczenia alzheimera i parkinsona. Badania noblistów prowadzą nas do poznania fundamentalnych procesów występujących u wszystkich organizmów, w tym człowieka. Umożliwiają lokalizację poszczególnych białek w komórkach. Na tym polega „reporterska działalność” GFP.

[b]prof. Krzysztof Staroń, Wydział Biologii UW[/b]

Zastosowanie GFP stało się jedną z najbardziej podstawowych metod biologii molekularnej. Wszystko, o czym do tej pory mogliśmy jedynie wnioskować w pośredni sposób, dzięki jego użyciu możemy zobaczyć na żywo pod mikroskopem fluorescencyjnym. Jedną z najważniejszych cech zielonego białka fluorescencyjnego, które pozwalają na szerokie zastosowanie, jest to, iż jest ono obojętne dla komórki i nie wpływa na jej metabolizm.

[b]prof. Halina Gabryś, Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin UJ[/b]

Bez odkrycia tego białka wiele innych wspaniałych badań w ogóle nie byłoby możliwych. Warto doceniać ludzi wymyślających narzędzia i techniki, z których korzysta później cały świat. GFP pozwala obserwować kształty różnych struktur i zmiany ich położenia w obrębie komórek. Umożliwia badanie transportu białek. Dzięki GFP możemy np. obserwować w czasie rzeczywistym, co się dzieje z cytoszkieletem komórki w obliczu jakiegoś czynnika.

—kru, pap[/ramka]

Nagrody Nobla

Pozostało 95% artykułu