Подмигивающий ген

Маленькая медузка Аеquorea victoria оказалась очень удобным объектом для генетических исследований.
Фото Сьерры Блейкли

Живописуя свое плавание на Цейлон, Иван Бунин восхищался ночным мерцающим светом океанических волн. Много позже ученые открыли у маленькой медузки Аеquorea victoria ген, отвечающий за синтез зеленого флюоресцирующего белка (протеина) – GFP. Ген этот можно перенести в клетку. Ученые получили световой индикатор активности тех или иных жизненно важных для клетки белков. За это открытие ученые были удостоены Нобелевской премии.

Применение светящегося протеина стало как бы логическим завершением развития на протяжении десятилетий флуоресцентной микроскопии, использующей, как и во времена Левенгука, стеклянные линзы. Они-то и ограничивали разрешение микроскопов, не позволяя рассмотреть объекты менее 200 нанометров. Просто потому, что в силу квантовой природы света существует так называемый дифракционный барьер: длина волн видимого света измеряется сотнями нанометров, поэтому при попытках повышения разрешающей способности свет начинает как бы дробиться, нарушая четкость изображения, отсюда и название явления.

Препятствие было преодолено путем последовательного переключения (включения и выключения) флюоресценции, что сделало рутинным получение нанометровых изображений. Различные варианты флуоресцентной наноскопии используют для возбуждения свечения либо мощные лучи в данной точке, либо «высвечивая» молекулу за молекулой в случайном порядке. Все эти вновь открывшиеся обстоятельства на всю мощь используются в оптической наноскопии, преодолевшей запрет дифракционного порога и использующей ничтожные количества световых фотонов для получения изображений живых клеток.

Сотрудники Института биофизической химии Геттингенского университета использовали новое поколение обратимо включаемого зеленого флуоресцирующего белка, который может циклически включаться и выключаться более тысячи раз. Сoeдинение гена GFP с другими генами, кодирующими синтез функциональных протеинов клетки, позволило ученым увидеть клеточные структуры и образования размером меньше 40 нанометров. Таким образом, разрешение флуоресцентной наноскопии по сравнению с классической повысилось как минимум в пять раз. И это при интенсивностях света в миллион раз более низких, чем требуется для обычного микроскопа!

В Геттингене удалось увидеть белок Mre, который крайне важен для поддержания жизнеспособности клеток кишечной палочки Е.соli. В нервных клетках срезов живого мышиного мозга были легко различимы шипики на дендритных отростках. Эти образования представляют собой контакты-синапсы с отростками других нейронов и служат для сбора информации. Синапсы очень пластичны, образуясь на отростках клеток буквально за секунды. Так же быстро они могут и демонтироваться, что свидетельствует о бурных процессах, протекающих в нейронах.

Во многих клетках синтезируется такой белок, как кератин, открытый поначалу в кератиноцитах кожи, образующих ороговевший ее слой. Много кератина в роговице глаза, за что она и получила свое название. Повышенная активность гена кератина довольно часто отмечается в раковых клетках, поэтому интерес ученых к этому протеину вполне оправдан. В Геттингене благодаря GFP получили четкие изображения больших молекулярных комплексов кератина, синтезируемого клетками млекопитающих.

Демонстрация успешного применения наноскопии позволила ученым сделать вывод о том, что микроскопы преодолели наконец-то свой врожденный «порок» в виде дифракционного барьера. Это открывает новые и совершенно неожиданные перспективы для исследования живых клеток разного происхождения.