Física y Quimica

Premio Nobel de Química 2008

Premios Nobel

 

 

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

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  nobleprize.org

 

Traducción del inglés   Documento traducido

 

Premio Nobel de Química 2008

 

 

 

Osamu Shimomura

Martin Chalfie

Roger Y. Tsien

Osamu Shimomura (1928). USA.

Martin Chalfie (1947). USA.

Roger Y. Tsien (1952). USA

 

"Por el descubrimiento y desarrollo de la proteína verde fluorescente, GFP"

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.

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.

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.