En los años
sesenta cuando el científico japonés Osamu Shimomura
comenzó a estudiar la medusa bioluminiscente Aequorea
victoria no suponía que conduciría a una auténtica
revolución científica. Treinta años más tarde Martin
Chalfie usó la proteína verde fluorescente de la
medusa para ayudarse en el estudio del constituyente más
pequeño de los organismos vivos, la célula. Hoy los
científicos pueden estudiar procesos biológicos antes
invisibles con la ayuda de las proteínas de Roger Y.
Tsien, las cuales brillan con todos los colores del
arco iris.
La proteína
verde fluorescente, GFP, ha sido en la década pasada como
una estrella guía para bioquímicos, biólogos, médicos y otros
investigadores. El intenso color verde de esta proteína
aparece cuando se la ilumina con luz azul y ultravioleta. Ello
permite, por ejemplo, visualizar tumores cancerosos, mostrar
el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer en el cerebro o el
crecimiento de bacterias patógenas.
Un uso todavía
más interesante de la GFP radica en la posibilidad de seguir
procesos en el interior de las células. El cuerpo está
compuesto de cientos de miles de células, desde las células
que forman el músculo del corazón y las células beta,
productoras de la insulina, a los macrófagos que destruyen las
bacterias indeseables. Existe una gran cantidad de
investigaciones acerca de los tipos de células – cuáles son
sus funciones o la forma cómo se desarrollan-, pero el gran
desafío está en desarrollar medicamentos eficaces con un
mínimo de efectos secundarios.
Shimomura
fue contratado en 1956 por la universidad de Princeton
(Nueva Jersey, EE.UU), después del
resonante éxito alcanzado al conseguir aislar la proteína
responsable de la luminiscencia del molusco
Cypridina
cuando
trabajaba como profesor asistente en la universidad de
Nagoya (Japón).
Una vez en
Norteamérica Shimomura se dedicó a estudiar otro material
luminiscente. Esta vez se trataba de la medusa Aequorea
victoria, cuyo borde exterior brilla cuando la medusa
se mueve. |
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La medusa Aequorea victoria vive en los
mares de la costa oeste de Norteamérica (a). La medusa
tiene un órgano bioluminiscente localizado a lo largo del
borde del “paraguas” (b y c) |
En un
trabajo publicado en 1962, Shimonura y Johnson describían
el proceso mediante el cual habían logrado aislar unos
pocos miligramos del material luminiscente azul. Llamaron
a la proteína aequorin. También mencionaban que la
proteína que habían aislado era color verdoso a la luz del
sol, amarillento a la luz de una bombilla y verde
fluorescente bajo luz ultravioleta. Era la primera vez que
alguien describía la GFP. Shimonura y Johnson la llamaron
la proteína verde, pero más tarde fue llamada la proteína
verde fluorescente.
En los
años 70 Shimomura estudió con más profundidad la
fluorescencia de la GFP. Encontró que la GFP contenía
un cromóforo especial, un grupo químico que absorbe y
emite luz. Cuando la luz ultravioleta o azul incide
sobre el cromóforo, éste absorbe energía de la luz y
se excita. En la fase siguiente el cromóforo libera la
energía. Emite luz, verde esta vez.
El grupo
cromóforo de la medusa simplemente transforma la luz
azul del aequorin en luz verde. Por esto la medusa y
el aequorin brillan con distinto color.
Lo
realmente revolucionario de la GFP es que la proteína
no necesita ningún aditivo para brillar, en contraste
con otras proteínas bioluminiscentes que requieren un
suplemento continuo de moléculas ricas en energía. Es
suficiente radiar la GFP con luz UV o luz azul. La luz
penetra en el interior de las células y se encuentra
con la GFP la cual emite luz verde. Si los
investigadores necesitaran un aditivo químico sería
necesario inyectarlo en la célula, un proceso que
podría alterarla y que es complicado de llevar a cabo
a escala microscópica. |
La proteína verde fluorescente GFP
consiste en 238 aminoácidos unidos formando una larga
cadena. Esta cadena se pliega en forma de barril que
tiene en su interior loa aminoácidos 65,66 y 67, los
cuales forman el grupo que absorbe luz UV y azul y
produce fluorescencia verde |
El segundo
laureado en química este año, Martin Chalfie,
oyó hablar de la proteína verde fluorescente por primera
vez en 1988 en un seminario dedicado a los organismos
bioluminiscentes en la Universidad de Columbia en Nueva
York
En su
trabajo diario, Chalfie trabaja con los pequeños gusanos
Caenorhabditis elegans, uno de los organismos más
estudiados en el mundo. A pesar de que sólo consta de 959
células, tiene cerebro, envejece y se aparea. Además,
una tercera parte de sus genes están relacionados con los
genes humanos. Por último, pero no menos importante, C.
elegans es transparente, lo cual hace muy sencillo
para los investigadores estudiar sus órganos con un
microcopio ordinario.
La idea de
Chalfi consistió en conectar el gen de la GFP con varios
genes promotores o con genes de otras proteínas, así
podría ver la activación de los genes promotores en las
células y saber donde son producidas las diferentes
proteínas. La luz verde actuaría como un faro.
En el
siguiente paso, Chalfie colocó el gen detrás de un
promotor que activa seis receptores neuronales en C.
elegans. El resultado fue publicado por Chalfie y sus
colegas en la revista Science en febrero de 1994. En la
portada los lectores podían ver una imagen de C. elegans
en la cual el receptor neuronal emitía una brillante luz
verde. |
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Usando tecnología del ADN, Chalfie
colocó el gen de GFP detrás de un gen promotor activo en
seis neuronas receptoras del tacto en C. elegans. Después
inyectó el ADN modificado en las gónadas de un gusano
adulto (a). El gusano es hermafrodita y se autofertiliza.
El gen de la GFP está presente en muchos de los huevos que
el gusano pone (b). El huevo se divide formando nuevos
individuos cuyos receptores neuronales brillan con luz
verde bajo la luz UV. (c y d). La ilustración muestra dos
de estas neuronas (e). |
Aquí es
donde el tercer galardonado con el Premio Nobel,
Roger Tsien, hace su entrada. Su mayor
contribución a la revolución de la GFP fue que amplió la
paleta con varios colores nuevos que brillaban durante más
tiempo y más intensamente.
Para empezar, Tsien indicó cómo se
forma químicamente el cromóforo GFP en la larga proteína
GFP formada por 238 aminoácidos. Otros investigadores
había mostrado previamente que tres aminoácidos en la
posiciones 65-67 reaccionaban químicamente entre sí para
formar el cromóforo. Tsien mostró que esta reacción
química necesitaba oxígeno y explicó como podía llevarse a
cabo sin el auxilio de otras proteínas.
Con la ayuda
de la tecnología del ADN, Tsien dio el siguiente paso y
cambió diversos aminoácidos en diferentes partes de la GFP.
Esto condujo a que la proteína absorbiera y emitiera luz
en otras regiones del espectro. Experimentando con la
composición de los aminoácidos, Tsien logró desarrollar
variantes de la GFP que brillan más fuertemente y en
diferentes colores como el cian, azul y amarillo. Así los
investigadores pueden hoy marcar diferentes proteínas con
diferentes colores para ver sus interacciones.
Tres de
estas proteínas han sido utilizadas por los investigadores
en un espectacular experimento. Modificaron ratones
genéticamente para producir cantidades variables de los
colores amarillo, cian y rojo dentro de las células
nerviosas de su cerebro. Esta combinación de colores es
similar a la utilizada por las impresoras. El resultado
fue que el cerebro del ratón brillaba con los colores del
arco iris. Los investigadores pudieron entonces seguir los
nervios de las células individuales en la densa telaraña
del cerebro. Los investigadores llamaron a este
experimento el "brainbow".
La proteína
verde fluorescente también puede ser utilizada para
aplicaciones en biotecnología, incluyendo la detección de
arsénico en los pozos de agua. Este es un enorme problema
en partes del sudeste de Asia, donde se producen
intoxicaciones por arsénico de forma natural que afectan a
miles de personas. Los investigadores han modificado
genéticamente bacterias resistentes al arsénico para que
se iluminen en verde en presencia de este elemento.
También han modificado otros organismos para que emitan
fluorescencia verde en presencia del explosivo
trinitrotolueno (TNT) o metales pesados como el cadmio o
zinc. Hoy en día hay GFP, incluso en los juguetes que se
iluminan en la oscuridad. |
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