Białko zielonej fluorescencji (GFP, ang. green fluorescence protein) zostało po raz pierwszy wyizolowane w 1962 roku przez japońskiego biochemika Osamu Shimomura z ciała meduzy Aequorea victoria. Naukowiec wraz ze współpracownikami zajmował się bioluminescencjąbioluminescencjabioluminescencją, czyli zjawiskiem emisji światła przez żywe organizmy.

Początkowo odkryto białko o nazwie akworyna, które w obecności jonów wapnia emituje światło niebieskie. Jednak meduzy, z których zostało ono wyizolowane, świeciły światłem zielonym. Okazało się, że niebieskie światło emitowane przez wzbudzoną akworynę jest pochłaniane przez białko GFP. Absorpcja światła powoduje wzbudzenie białka GFP, które następnie emituje światło zielone.

W 2008 roku za odkrycie oraz zbadanie budowy i właściwości białka zielonej fluorescencji Osamu Shimomura otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Wspólnie z nim zostali uhonorowani jeszcze dwaj inni naukowcy – Roger Y. Tsien za opracowanie stabilniejszej formy białka GFP oraz Martin Chalfie za wprowadzenie genu kodującego białko GFP do komórek prokariotycznych (bakteria Escherichia coli) i eukariotycznych (nicień Caenorhabditis elegans).

R1THzcH2htmHd

Zdjęcie przedstawia rzeźbę o nazwie ,,Stalowa meduza’’. Ma ona formę splecionych ze sobą stalowych prętów o przekroju prostokątnym, wygiętych pod różnymi kątami, razem tworzących kształt podobny do tuby.

Elementem budowy białka GFP odpowiedzialnym za emisję światła jest chromoforchromoforchromofor. Układ ten powstaje z trójki kolejnych aminokwasów: seryny, tyrozyny i glicyny na drodze modyfikacji posttranslacyjnejmodyfikacja posttranslacyjnamodyfikacji posttranslacyjnej białka GFP i jest indukowany przez łańcuchy boczne beta‑baryłki. Umożliwia to powstanie charakterystycznego dla chromoforów układu sprzężonych wiązań podwójnych.

Chromofor pochłania (absorbuje) światło o określonej długości fali i tym samym przechodzi ze stanu podstawowego w stan wzbudzony. Powrót do stanu podstawowego jest możliwy dzięki emisji światła o większej długości fali i tym samym niższej energii niż światło zaabsorbowane. Emisja światła zielonego przez białko GFP trwa tak długo, jak długo białko to jest pobudzane niebieskim światłem. Zjawisko to nazywa się fluorescencjąfluorescencjafluorescencją.

Zmiany w obrębie chromoforu mogą prowadzić do powstania białek emitujących światło o innej barwie. Do analogów białka GFP należą między innymi: białko BFP (ang. blue fluorescence protein) świecące na niebiesko, białko CFP (ang. cyan fluorescence protein) świecące na cyjanowo czy białko YFP (ang. yellow fluorescence protein) świecące na żółto.

Ciekawostka

Nie tylko meduzy są w stanie naturalnie świecić. Niektóre grzyby rosnące w lasach tropikalnych również mają takie zdolności. Dotychczas nie znaleziono przyczyny występowania tego zjawiska u grzybów. Fluorescencja występuje również u świetlików Photinus pyralis za sprawą obecności w ich organizmach enzymu lucyferazy, który katalizuje utlenianie lucyferyny i tym samym wywołuje bioluminescencję.

REYjza29HJXiS

Grafika przedstawia fluorescencyjnego, jasnozielonego grzyba wyrastającego z pnia drzewa. Kształtem i formą przypomina główkę sałaty.

RjcSjDxoIp2U4

Grafika przedstawia świetliki unoszące się nad łąką kwietną w nocy. Ich świecące na ciepły, żółty kolor ciała odznaczają się na czarnym, nocnym niebie.

Nowoczesna biotechnologia, wykorzystująca metody i techniki inżynierii genetycznej, ingeruje w materiał genetyczny organizmu na poziomie molekularnym. Dzięki tym działaniom możliwe jest uzyskanie organizmu modyfikowanego genetycznie – GMOGMOGMO (ang. genetically modified organism), na drodze: zmiany aktywności genu, wstawienia dodatkowej kopii genu lub wprowadzenia do genomu obcego genu pochodzącego od innego gatunku. Ostatnie działanie pozwala na otrzymanie organizmu transgenicznegoorganizm transgenicznyorganizmu transgenicznego, który oprócz własnych genów zawiera dodatkowo transgentransgentransgen. Ekspresja transgenu przejawia się obecnością nowej cechy fenotypu. W przypadku komórek prokariotycznych wprowadzenie obcego fragmentu DNA nazywa się transformacjątransformacja genetycznatransformacją, a w przypadku komórek eukariotycznych – transfekcjątransfekcjatransfekcją.

W 1987 roku Douglas Prasher, amerykański biotechnolog, zaproponował wykorzystanie białka zielonej fluorescencji jako cząsteczki śledzącej podczas modyfikacji genetycznych. Białko zielonej fluorescencji, a także inne białka fluorescencyjne, dzięki licznym zaletom są obecnie szeroko stosowane w modyfikacjach genetycznych organizmów. Połączenie genu kodującego białko GFP z genem kodującym inne białko prowadzi do powstania tzw. białka fuzyjnego, będącego hybrydą dwóch białek: białka GFP i białka poddawanego badaniom. Dzięki temu, po naświetlaniu światłem niebieskim lub UV, białko fuzyjne fluoryzuje na zielono. Daje to możliwość obrazowania w czasie rzeczywistym ekspresji genów, lokalizacji białek i ich przemieszczania się w komórce, a także budowy chromosomów i struktur komórkowych.

Zastosowanie białka GFP jako znacznika fluorescencyjnego do obrazowania związków chemicznych i struktur komórkowych jest możliwe ze względu na jego właściwości:

Odkrycie białka zielonej fluorescencji zrewolucjonizowało badania biologii komórki wykorzystującej mikroskopię fluorescencyjną. W przeciwieństwie do wcześniej stosowanych znaczników fluorescencyjnych białko GFP nie jest fototoksyczne. Właściwość ta pozwala prowadzić badania na żywych komórkach, co umożliwia bezpośrednią obserwację zachodzących w nich procesów.

Ciekawostka

RsrUPWQJ8DWBG

Grafika przedstawia trzy akwaria oznaczone kolejno od lewej do prawej numerami: 1324, 1325 oraz 1326 w którym znajdują się drobne rybki. Część z nich ma kolor czerwono-pomarańczowy, natomiast reszta brązowo-zielony.

GloFish®️ to seria opatentowanych, genetycznie modyfikowanych ryb (początkowo z gatunku Danio rerio) wprowadzonych na rynek przez amerykańską firmę Yorktown Technologies. Genetyczna modyfikacja tych ryb polega na wprowadzeniu do ich genomu genu kodującego białko GFP lub genów kodujących inne białka fluorescencyjnefluorescencjafluorescencyjne. Dzięki ekspresji tych genów ryby świecą na różne kolory. Co ciekawe, posiadanie takich ryb w Polsce jest zakazane.

Słownik