Kemian Nobel-palkinto valoa säteilevän GFP-yhdisteen löytäjille ja kehittäjille

Vuoden 2008 kemian Nobel-palkinto jaetaan kolmen tutkijan kesken, jotka ovat mullistaneet biokemian tutkimusta lähes yhtä paljon kuin mikroskoopin keksijä 300 vuotta sitten. Näin kuvailee Nobel-komitea tiedotteessaan vihreän fluoresoivan proteiinin eli GFP:n löytäjiä ja kehittäjiä. Palkinnon jakavat Yhdysvalloissa työskennellyt japanilaissyntyinen Osamu Shimomura ja yhdysvaltalaiset Martin Chalfie ja Roger Tsien.

Alkuperäistä GFP:tä ja siitä kehitettyjä muunvärisiä versioita käytetään nykyään rutiininomaisesti sekä solujen seuraamiseen että geenien tuottamien proteiinien havaitsemiseen. Väreillä on tutkittu esimerkiksi neuronien synapsien syntyä, aivosolujen vaurioitumista rappeuttavissa aivosairauksissa, haiman insuliinia tuottavien beetasolujen kehitystä hiiren alkiossa ja syöpäsolujen leviämistä elimistössä. Geenien toiminnan tutkimuksessa GFP on keskeinen työkalu, joka auttaa osoittamaan milloin ja missä geenit alkavat tuottaa proteiineja.

Palkitut tutkijat ovat vaikuttaneet osaltaan ratkaisevasti GFP:n kehittymiseen tärkeäksi työkaluksi. Osamu Shimomura eristi sinisessä tai ultraviolettivalossa vihreänä hehkuvan GFP-proteiinin Aequorea victoria-meduusasta vuonna 1962 Yhdysvalloissa. Martin Chalfie keksi kokeilla GFP:n käyttöä tutkimiensa sukkulamatojen solujen merkitsemiseen. Roger Tsien on puolestaan tutkinut miten GFP tuottaa valoa ja muokannut siitä uusia, muunväristä valoa tuottavia muotoja.

Osamu Shimomura (s. 1928 Japanissa) väitteli tohtoriksi orgaanisesta kemiasta Nagoyan yliopistossa Japanissa vuonna 1960. Eläkkeelle hän jäi amerikkalaisen Woods Hole -merentutkimuslaitoksen professorin virasta, mutta on säilyttänyt Japanin kansalaisuuden.

Shimomuran tutkijanuran alku poikkeaa tavanomaisesta. Toinen maailmansota oli keskeyttänyt hänen opintiensä ja vuonna 1955 Shimomura pääsi tutkimusapulaiseksi Nagoyan yliopistoon. Professori Yashimasa Hirata antoi hänen tehtäväkseen löytää Cypridina-kotilon jäänteistä yhdisteen, joka sai ne hehkumaan kun niitä kostutettiin vedellä.

Tehtävää oli yritetty ennenkin, menestyksettä, ja siksi sitä ei annettu varsinaisten jatko-opiskelijoiden tehtäväksi. Shimomura onnistui vuodessa löytämään proteiinin, joka hehkui 37 000 kertaa kirkkaammin kuin itse otus. Löydön ansiosta hänet palkattiin Yhdysvaltojen parhaisiin kuuluvaan Princetonin yliopistoon. Ennen lähtöä professori Hirata järjesti Shimomuralle tohtorin tutkinnon Nagoyan yliopistosta.

Princetonissa Shimomura alkoi selvittää toisen merieläimen, A. victoria-meduusan tuottaman valon alkuperää. Kun meduusaa häiritään, sen ulkoreuna alkaa hehkua vihreänä. Merestä kerättiin 10 000 meduusaa, joiden reunat otettiin talteen. Niistä onnistuttiin eristämään sinistä valoa lähettävä aequoriini -yhdiste. Tulos julkaistiin 1962 ja samassa artikkelissa mainittiin proteiinista, joka hehkui auringon valossa vihertävänä, keltaisena hehkulampun valossa ja ultraviolettivalossa fluorinvihreänä. Yhdiste nimettiin vihreäksi proteiiniksi, myöhemmin vihreäksi fluoresoivaksi proteiiniksi eli GFP:ksi.

Shimomura jatkoi GFP:n tutkimista edelleen ja osoitti, että proteiinissa on erityinen kemiallinen ryhmä, kromofori, joka absorboi ja lähettää valoa. Sininen tai ultravioletti valo absorboituu kromoforiin, joka hetken päästä lähettää saamansa energian ulos vihreänä valona. Luonnossa meduusan aequoriini säteilee sinistä valoa ja se laukaisee GFP:n vihreän valon. Siksi meduusan reunus loistaa vihreänä.

Martin Chalfie (s. 1947 Yhdysvalloissa) toimii biologian professorina Columbian yliopistossa. Hän kuuli GFP:stä ensimmäisen kerran vuonna 1988 ja oivalsi sen mahdolliseksi keinoksi selvittää tutkimiensa sukkulamatojen solujen sisällä tapahtuvia prosesseja. Sukkulamato (Caenorhabditis elegans) on pieni, läpinäkyvä mato, jossa on vain tuhat solua. Se on biologisen tutkimuksen tärkeimpiä koe-eläimiä, koska sillä on pikkuruiset aivot, se lisääntyy ja vanhenee. Kolmannes sen geeneistä on sukua ihmisen geeneille.

Geenien tuottamien proteiinien seuraamiseksi tarvittiin GFP:tä tuottava geeni. Sitä oltiin jo etsimässä ja pari vuotta myöhemmin Chalfie sai sen Woods Hole -tutkimuslaitoksesta. Muuan jatko-opiskelija sai tehtäväkseen istuttaa sen kolibakteeriin ja saada sen tuottamaan valoa. Tämä onnistui melko pian ja samalla todettiin, että GFP ei tarvinnut muita proteiineja valon tuottamiseen. Se oli merkittävää GFP:n hyödyntämisen kannalta. Sukkulamadon tuntoa aistiviin neuroneihin istutetun GFP-geenin tuottamaa valoa esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1994 Science-lehdessä julkaistussa raportissa.

Roger Tsien (s. 1952 Yhdysvalloissa) väitteli Cambridgen yliopistossa Britanniassa ja toimii professorina Kalifornian yliopistossa. Hän on selvittänyt miten GFP tuottaa valoa. Tsien on kehittänyt GFP:stä muita värejä tuottavia modifikaatioita. Nykyisin GFP:n värikartta sisältää kaikkia sateenkaaren värejä, sinistä, violettia, vihreää, keltaista ja punaista väriä. Eri värit mahdollistavat useiden proteiinien ja prosessien tarkastelun soluissa samanaikaisesti.

(Radion tiedeuutiset, Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia, Nobel-säätiö)