«Он живой… Он светится!..» — потрясенно воскликнул Дениска из рассказа Виктора Другунского, впервые увидев светлячка. Но тайна живого свечения заинтересует и вполне взрослых людей.

Нобелевской премии в 2008 году удостоены работающие в США японец Осаму Симомура (Лаборатория морской биологии штата Массачусетс), американцы Мартин Чалфи (Колумбийский университет, Нью-Йорк) и Роджер Тсиен (Калифорнийский университет, Сан-Диего) за «открытие и применение различных форм зеленого флуоресцентного белка».

Так уж повелось, что Нобелевские премии довольно часто присуждают за «дела давно минувших лет». О том, что светлячки и гнилушки светятся в темноте, известно испокон века. Ученые называют это явление флуоресценцией (от названия светящегося минерала флюорит) или люминесценцией (от латинского слова luminis — «свет»).

Кроме того, даром свечения обладают еще и некоторые разновидности морских медуз. Об этом писали еще древние греки, но лишь в 1962 году было обнаружено, что за свечение медузы Aequorea victoria отвечает белок GFP (green fluorescent protein), который светится зеленым после облучения его светом с определенной длиной волны.

Структура белка GFP.

Именно этот белок и открыл Осаму Симомура, которому в год награждения исполнилось 80 лет. И путь его к получению премии был на редкость долгим. Еще в середине 500х годов прошлого века, работая ассистентом в Нагойском университете, он начал изучать механизм свечения некоторых моллюсков. Точнее, даже не самих моллюсков, а их останков.

В чем здесь дело, к тому времени пытались выяснить уже несколько коллективов американских биологов, но безуспешно. И лишь Симомура сумел выделить в 1956 году из останков моллюска Cypridina белок, светящийся почти в 40 000 раз ярче, чем сам моллюск.

Эту работу Симомуры увенчала докторская степень.

Следующим объектом исследований он выбрал медузу Aequorea Victoria. Изучив десятки тысяч особей этого студнеобразного животного, в 1962 году он выделил тот самый белок GFP, который и принес ему впоследствии Нобелевскую премию. Кроме того, он предположил, что этот белок содержит хромофорный (цветообразующий) центр, а потому, в отличие от других белков, для проявления биолюминесценции не нуждается в каких-либо дополнительных веществах. Чтобы увидеть свечение, достаточно подсветить его ультрафиолетом или видимым синим светом.

Спустя полтора десятка лет исследования зеленого белка продолжил Мартин Чалфи.

Ученый в то время занимался исследованиями любимого объекта микробиологов — червячка Caernorr habditis elegans, прозрачного существа длиной всего лишь в 1 мм. Червячок интересен биологам тем, что состоит всего лишь примерно из тысячи клеток, однако имеет мозг и несколько генов, совпадающих с человеческими. И на нем очень удобно ставить эксперименты по генетике.

А чтобы ход и результаты опытов выглядели нагляднее, Чалфи сообразил, что белком GFP можно пометить различные клетки червя и по свечению следить за их функционированием «в режиме реального времени». Причем, желая иметь белок GFP все время под рукой в нужных количествах, Чалфи догадался использовать для производства «живую фабрику» — знакомую многим биохимикам бактерию Escherichia coli. В итоге исследователи получили своеобразную метку, «фонарик», мерцание которого позволяло легко проследить за течением процессов в клеточных структурах.

Далее работу продолжил Роджер Тсиен из Калифорнийского университета, который выявил детально механизм зеленого окрашивания. Он также определил формулы всех 238 аминокислот, образующих хромофорный центр, и важную роль трех аминокислот под номерами 65–67 в проявлении флуоресценции.

Понимание всех тонкостей позволило Тсиену модифицировать GFP таким образом, что флуоресценция стала более продолжительной. Кроме того, ученый и его коллеги смогли получить белки с флуоресценцией не только зеленого, но и других цветов.

В этой работе, кстати, принимали участие и российские ученые — Михаил Матц и Сергей Лукьянов.

Матц ныне работает профессором в Техасском университете (г. Остин, США), но связанные с белком GFP исследования он провел в России, в Институте биоорганической химии РАН, под руководством заведующего лабораторией, члена-корреспондента РАН Сергея Лукьянова. В итоге нашими учеными из коралловых полипов класса Anthozoa были выделены гены шести новых флуоресцентных белков, дающие, кроме прочее го, и красное свечение.

Казалось бы, логично было наградить всех, кто так или иначе участвовал в выявлении механизма свечения с помощью белка GFP и его аналогов. Но правила Нобелевского комитета строги: за одну работу премию могут получить не более трех человек. А потому за чертой призеров остались не только Михаил Матц и Сергей Лукьянов, но и некоторые другие исследователи, в частности, американец из Алабамы Дуглас Прешер.

Последний утверждает, что в 1992 году первым выделил ген, который позволяет медузам светиться в темноте. Однако ему пришлось остановить свои исследования после того, как иссякли выделенные на них деньги.

Дальнейшие попытки найти источники финансирования оказались безуспешными, и Дуглас передал плоды своей работы двум другим ученым, которые вместе с японским исследователем Осаму Симомурой и получили за это открытие Нобелевскую премию.

Какую же практическую пользу могут принести результаты работы новоявленных нобелевских лауреатов?

Не так давно ученые Эдинбургского университета (Шотландия) вставили ген медузы в картофель. В итоге получилось растение, которое светится в ультрафиолетовых лучах. Конечно, светящуюся картошку вряд ли кто захочет есть. Впрочем, генетики на то и не претендуют. Они полагают, что такую картошку имеет смысл высаживать по краям поля, где она будет выполнять роль своеобразного датчика, сигнализируя об испытываемой собратьями жажде.

В 1997 году токийские ученые внедрили светящийся ген подопытным мышам, чтобы было удобнее изучать процесс распространения в организме новых лекарственных препаратов для лечения онкологических заболеваний. Используются светящиеся гены в качестве маркеров и в ряде других научных исследований. Скажем, тот же ген медузы недавно был внедрен в геном примата. В результате эксперимента на свет появилась макака, которую назвали Энди. Это совершенно здоровое, резвое и смышленое существо, у которого слегка зеленоватые ногти, а шерсть отливает изумрудом в ультрафиолетовой подсветке. Это первый эксперимент с родственным человеку существом. Зачем он, собственно, потребовался? Опять-таки ген медузы служит своеобразным маркером, который легко обнаруживается с помощью ультрафиолетового облучения.

Самих же «светящихся» макак исследователи намерены использовать в качестве своеобразных моделей, на которых они будут рассматривать течение тех или иных болезней, свойственных и человеку. Скажем, в обезьяну будет дополнительно внедрен еще и ген болезни Альтцгеймера. Или ген диабета. Или ген рака. И, рассмотрев в подробностях течение болезни, исследователи надеются выработать действенные лекарства против неизлечимых сегодня заболеваний.

С. НИКОЛАЕВ

Кстати…

ВИРУСЫ-МОНТАЖНИКИ

Электроника становится все миниатюрнее, пора уменьшить и источники ее питания. Шаг в этом направлении попытались сделать инженеры из Массачусетского технологического института (США). Они обучили вирусы профессии монтажников и заставили их собирать сверхминиатюрные батарейки, которые могут поспорить по размерам с элементами микросхем.

Вирусы, паразитирующие не на человеке, а на бактериях, называются бактериофагами. Белковая оболочка бактериофага М13 имеет в поперечнике около 800 нанометров. Внутри находится ДНК с планом строения бактериофага. Ученые смогли изменить этот план так, чтобы изготавливаемая по нему белковая оболочка стала притягивать к себе частицы золота и оксида кобальта.

Для этого бактериофаги вместе с бактериями, на которых они паразитируют, помещают в раствор с коллоидными частицами золота и оксида кобальта. Вирусы начинают размножаться по новому плану, и через некоторое время на дне сосуда с раствором вырастает тончайшая пленка из бактериофагов в металлической оболочке. Эту пленку используют в качестве анода (положительного электрода) батарейки.

Катод же состоит из литиевой фольги, а между ними, как в обычном литиево-ионном элементе, — полужидкий слой электролита. Но в дальнейшем ученые намерены заставить бактериофаги делать и катод. Такую батарейку, закрепленную непосредственно на микросхеме, можно будет заряжать, как любой литиево-ионный аккумулятор.