پروتئین فلورسنت سبز (GFP): از اعماق دریا تا دنیای علم و هنر

پروتئین فلورسنت سبز یا GFP، پروتئینی است که به طور طبیعی در عروس دریایی Aequorea victoria یافت می‌شود. این پروتئین پس از خالص‌سازی، زیر نور معمولی به رنگ زرد دیده می‌شود، اما در زیر نور خورشید یا اشعه ماوراء بنفش، درخشش سبز خیره‌کننده‌ای دارد. مکانیسم عمل GFP به این صورت است که نور پرانرژی آبی و فرابنفش را جذب کرده و آن را به شکل نور سبز با انرژی کمتر و از طریق فلورسانس بازتاب می‌کند.

GFP کاربردهای فراوانی در زیست‌شناسی سلولی و مولکولی به عنوان یک نشانگر دارد. هنگامی که این پروتئین به کد ژنتیکی سلول‌ها و موجودات زنده وارد می‌شود، قابلیت انتقال به نسل‌های بعدی را پیدا می‌کند. این ویژگی نه تنها GFP را به ابزاری ارزشمند در علم تبدیل کرده، بلکه توجه‌ها را به سمت تولید موجودات تراریخته مانند ماهی‌های زینتی فلورسنت نیز جلب کرده است. به این ترتیب، پروتئین فلورسنت سبز (GFP) ابزاری قدرتمند در دستان محققان است که امکان بررسی و دستکاری ساختارهای زیستی را فراهم می‌کند.

کشف پروتئین فلورسنت سبز

عروس دریایی کریستالی (Aequorea victoria)، علاوه بر خاصیت بیولومینسانس (تابش نور در تاریکی)، خاصیت فلورسنت (واکنش به نور فرابنفش) نیز دارد. اندام‌های نوری کوچکی که روی چتر این عروس دریایی قرار دارند، حاوی پروتئین لومینسانس اکوئرین هستند. اکوئرین با لوسیفرین واکنش داده و نور تولید می‌کند. هنگامی که اکوئرین با یون‌های Ca2+ تعامل می‌کند، تابش آبی رنگی ایجاد می‌شود. همین نور آبی، انرژی لازم برای درخشش سبز پروتئین فلورسنت سبز (GFP) را فراهم می‌کند.

در دهه 1960، اوسامو شیمومورا تحقیقاتی را در مورد بیولومینسانس A. victoria انجام داد. او اولین کسی بود که GFP را جدا کرد و قسمت مسئول فلورسانس پروتئین را تعیین کرد. شیمومورا حلقه‌های درخشان یک میلیون عروس دریایی را جدا کرد و آنها را از طریق گاز استریل فشار داد تا مواد لازم برای مطالعه خود را به دست آورد. اگرچه یافته‌های او منجر به درک بهتر بیولومینسانس و فلورسانس شد، اما پروتئین فلورسنت سبز وحشی (GFP) به دست آمده، به دلیل دشواری استخراج، کاربرد عملی چندانی نداشت. در سال 1994، GFP کلون شد و در نتیجه در دسترس آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان قرار گرفت. محققان راه‌هایی برای بهبود پروتئین اصلی پیدا کردند تا آن را در رنگ‌های دیگر بدرخشانند، نور آن را بیشتر کنند و تعاملات خاصی با مواد بیولوژیکی داشته باشد. تأثیر عظیم این پروتئین بر علم، منجر به دریافت جایزه نوبل شیمی در سال 2008 توسط اوسامو شیمومورا، مارتی چالفی و راجر تسین برای "کشف و توسعه پروتئین فلورسنت سبز، GFP" شد.

چرا پروتئین فلورسنت سبز (GFP) اهمیت دارد؟

هنوز کسی به طور دقیق نمی‌داند که عملکرد بیولومینسانس یا فلورسانس در عروس دریایی کریستالی چیست. راجر تسین، بیوشیمیست آمریکایی و برنده جایزه نوبل شیمی در سال 2008، حدس می‌زند که این عروس دریایی ممکن است بتواند رنگ بیولومینسانس خود را با تغییر فشار ناشی از تغییر عمق، تغییر دهد. با این حال، جمعیت عروس‌های دریایی در جمعه هاربر، واشنگتن، به شدت کاهش یافت و مطالعه این جانور در زیستگاه طبیعی خود را دشوار کرد.

در حالی که اهمیت فلورسانس برای عروس دریایی نامشخص است، تأثیری که این پروتئین بر تحقیقات علمی داشته است، بسیار چشمگیر است. مولکول‌های فلورسنت کوچک معمولاً برای سلول‌های زنده سمی هستند و تحت تأثیر منفی آب قرار می‌گیرند که استفاده از آنها را محدود می‌کند. از طرف دیگر، از GFP می‌توان برای دیدن و ردیابی پروتئین‌ها در سلول‌های زنده استفاده کرد. این کار با اتصال ژن GFP به ژن یک پروتئین انجام می‌شود. هنگامی که پروتئین در یک سلول ساخته می‌شود، نشانگر فلورسنت به آن متصل می‌شود. تاباندن نور به سلول باعث می‌شود که پروتئین بدرخشد. از میکروسکوپ فلورسانس برای مشاهده، عکس‌برداری و فیلمبرداری از سلول‌های زنده یا فرایندهای درون سلولی بدون ایجاد اختلال در آنها استفاده می‌شود. این تکنیک برای ردیابی یک ویروس یا باکتری در هنگام آلوده کردن یک سلول یا برای برچسب‌گذاری و ردیابی سلول‌های سرطانی کاربرد دارد. به طور خلاصه، کلونینگ و پالایش GFP این امکان را برای دانشمندان فراهم کرده است تا دنیای زنده میکروسکوپی را بررسی کنند.

بهبودهای صورت گرفته در GFP، آن را به یک حسگر زیستی مفید تبدیل کرده است. پروتئین‌های اصلاح‌شده به عنوان ماشین‌های مولکولی عمل می‌کنند که به تغییرات pH یا غلظت یون واکنش نشان می‌دهند یا هنگام اتصال پروتئین‌ها به یکدیگر سیگنال می‌دهند. این پروتئین می‌تواند با فلورسنت شدن یا عدم فلورسنت شدن یا با انتشار رنگ‌های خاص بسته به شرایط، سیگنال روشن/خاموش را ارسال کند. بنابراین، پروتئین فلورسنت سبز (GFP) ابزاری حیاتی در تشخیص و بررسی فرایندهای بیولوژیکی است.

فراتر از علم

پروتئین فلورسنت سبز (GFP) تنها در آزمایش‌های علمی کاربرد ندارد. جولیان ووس-آندریا، هنرمند، مجسمه‌های پروتئینی بر اساس ساختار بشکه‌ای شکل GFP خلق می‌کند. آزمایشگاه‌ها GFP را در ژنوم انواع مختلف حیوانات وارد کرده‌اند که برخی از آنها به عنوان حیوان خانگی استفاده می‌شوند. شرکت Yorktown Technologies اولین شرکتی بود که ماهی‌های گورخری فلورسنت به نام GloFish را به بازار عرضه کرد. این ماهی‌های رنگارنگ در ابتدا برای ردیابی آلودگی آب تولید شده بودند. از دیگر حیوانات فلورسنت می‌توان به موش، خوک، سگ و گربه اشاره کرد. گیاهان و قارچ‌های فلورسنت نیز در دسترس هستند.

به این ترتیب، GFP از یک ابزار صرفاً علمی، به عنصری در هنر و سرگرمی نیز تبدیل شده است و نشان می‌دهد که پتانسیل این پروتئین شگفت‌انگیز هنوز به طور کامل کشف نشده است.