Нобелевскую премию 2008 года дали за зеленый флуоресцентный белок, или GFP (green fluorescence protein). Благодаря этому белку ученые разработали множество методов изучения живых систем. Однако для чего этот белок нужен самим живым системам - оставалось неясным. 26 апреля 2009 года в журнале Nature Chemical Biology появилась статья, авторы которой выяснили, что так необходимая биологам зеленая флуоресценция, вероятнее всего, является дополнительным бонусом, а не основной функцией GFP.
Впервые необычным белком, который зеленовато мерцает в синем свете, заинтересовался в 1960-е годы японец Осама Симомура (Osamu Shimomura), получивший американское гражданство. Он сумел выделить GFP из зонтиков медуз Aequorea victoria. Спустя 30 лет американец Дуглас Прашер (Douglas Prasher) избавил исследователей от необходимости массово убивать медуз. Он "научил" производить GFP бактерии Escherichia coli. С тех пор зеленый флуоресцентный белок могут получать в лабораториях по всему миру в неограниченном количестве.
Промышленные объемы белка необходимы исследователям для слежения за внутриклеточными процессами. Присоединив к интересующим их структурам флуоресцентный "жучок", ученые могут наблюдать, какие изменения с ними происходят. GFP позволяет пометить не только мельчайшие клеточные образования. С его помощью ученые могут исследовать, как развиваются клеточные процессы, то есть наблюдать за живой клеткой, а не за мертвыми препаратами (впрочем, для изучения убитых клеток GFP тоже подходит). В дополнение к зеленому флуоресцентному белку исследователи нашли в живых организмах (или синтезировали сами) флуоресцентные белки всех цветов радуги.
В пользе GFP и его аналогов для исследователей сомневаться не приходится. А вот вопрос, зачем подобные белки нужны синтезирующим их живым организмам, оставался без ответа. В статьях, посвященных GFP, обычно упоминают защитную функцию флуоресценции и флуоресценцию как способ приманивания добычи. Результаты новой работы, выполненной в Институте биоорганической химии имени Шемякина и Овчинникова РАН, заставляют предположить, что польза GFP для медуз заключается не в его способности мерцать зеленым цветом.
Как электрон связан с изменением цвета? Для проявления этой связи необходимы еще фотон и хромофор - участок белка, имеющий определенную структуру. Фотон заставляет "живущий" в хромофоре электрон возбуждаться - то есть переходить в состояние с большей энергией. Через некоторое время электрон возвращается в свое обычное состояние. Для этого он избавляется от излишка энергии, переданной фотоном, испуская ее в виде излучения. Цвет испускаемого излучения жестко связан со структурой хромофора. Таким образом, изменение цвета излучения свидетельствует об изменении структуры хромофора.
Авторы исследования обнаружили, что в присутствии определенных молекул флуоресценция белка перестает быть зеленой, а становится красной. Все молекулы, способные вызывать этот эффект, обладали одним общим свойством - они были способны принимать лишние электроны (такие соединения получили название акцепторов электронов). Исследователи предположили, что именно передача электронов от GFP к другой молекуле под воздействием света вызывает покраснение зеленого флуоресцентного белка.
Эффект проявлялся в присутствии самых разных акцепторов электронов. Более того, GFP краснел и при помещении в живую клетку. То есть, среди множества работающих в клетке белков GFP находил для себя молекулу-партнера, которой мог передать электрон.
Подобная передача электронов происходит при нескольких очень важных биологических процессах. Например, при фотосинтезе. Передавая электроны по цепи акцепторов, растения преобразуют энергию солнечного излучения (тот самый "возбуждающий" фотон) в химическую энергию, которая питает все жизненно важные процессы.
Чтобы понять, в каком из процессов, связанных с передачей электронов, задействован GFP, исследователям необходимо выяснить, кому именно он передает электрон. Как рассказал "Ленте.Ру" один из авторов работы, Алексей Богданов, в ближайшем будущем ученые намерены заняться поиском клеточного партнера GFP.
Пока авторы точно не могут сказать, каков молекулярный механизм покраснения белка. Однако им удалось показать принципиальную возможность участия GFP в передаче электронов. Белки можно рассматривать как очень точные инструменты, с помощью которых живая клетка обеспечивает свою жизнедеятельность. Доказательство, что какой-то белок подходит для выполнения некоей специальной функции, является очень сильным доводом в пользу того, что он был создан именно для выполнения этой функции. А наличие у него другой, очень полезной исследователям функции, можно рассматривать как счастливую случайность.