La GFP o ¿para qué sirven los peces luminosos?

Tenía ganas de volver a escribir sobre ciencia, pero es un territorio tan vasto que uno no sabe por dónde empezar. Hasta que recordé cierta viñeta publicada en la pulga snob:

Y me parece que a veces las cosas que hacemos los científicos pueden parecer un sinsentido y que las hacemos para gastar el presupuesto, creernos dioses, ligar o vaya usted a saber. Es por eso que me dispongo a aclarar por qué nos gusta tanto que todo sea fluorescente.

Para empezar comencemos con qué es la fluorescencia. Vale, os acordáis de esas pegatinas tan populares que brillaban por la noche y que antes se pegaban en los dormitorios de los niños para asustarlos. Esas pegatinas eran fosforescentes, es decir durante el día absorbían energía de la luz que había y parte de esa energía la convertían otra vez en luz, también por el día, pero como de día hay tanta luz ambiental no se observa (igual que la luz del sol nos impide ver las estrellas, que brillan mucho menos en comparación). Luego de noche, al apagar las luces, conservaban todavía esa energía y la seguían liberando durante la noche, aunque no estuvieran iluminadas. 

La fluorescencia es un fenómeno similar, solo que (para entendernos y no hablar de tiempos de emisión) hay que estar iluminando constantemente para que la molécula fluorescente siga emitiendo su luz.

 

Un “detalle” clave es que las longitudes de onda de la luz que excitan (hace fluorecer) a la molécula fluorescente son distintas (e inferiores) a las longitudes de onda de la luz que emite la molécula fluorescente. Por ejemplo podemos tener una molécula que se excite con luz azul o ultravioleta y emita luz verde o roja o amarilla.

Bien, ahora que hemos retrocedido hasta nuestra infancia para averiguar que es la fluorescencia, cabe preguntarnos por qué es tan importante. Este fenómeno era bien conocido desde hace mucho tiempo y también se conocían diversas moléculas fluorescentes. Pero ¿cómo ha llegado a revolucionar totalmente la investigación en campos como inmunología, oncogénesis, biología celular, etc.…? Para ello debemos retroceder aún más. 

En la década de los 60 el científico Osamu Shimomura está investigando la fluorescencia verde de una medusa, la Aequorea victoria. En principio hay gente que estaría molesta porque se dedicase dinero a investigar medusas brillantes, y no a la cura para la leucemia o la vacuna contra el SIDA. Pero resulta que esta investigación daría lugar a una de las herramientas más poderosas para investigar y conocer nuestras células; una prueba más de que la investigación básica (aquella que no va a por un objetivo concreto, sino a simplemente ampliar nuestro conocimiento) es tan valiosa como la aplicada.

El caso es que su investigación descubrió cosas sorprendentes: para empezar la fluorescencia no era producida por un pequeño compuesto químico, sino por proteínas, y no por una; sino por dos. Desglosemos todo esto. Los compuestos fluorescentes conocidos antes de este descubrimiento solían ser estructuras pequeñas y además tóxicas. La fluorescencia de esta medusa estaba producida por proteínas, esto es, estructuras extremadamente complejas y grandes; además de no ser tóxicas. Y las proteínas se codifican en el ADN, por lo que pasando el gen de una de estas proteínas a otra célula haremos que esta célula la produzca (no hay que introducir el compuesto fluorescente).

FITC, un compuesto químico que da fluorescencia verde

El sistema de luz esta medusa estaba formado por dos proteínas. La primera se llamó aequorina (en honor a la medusa); esta proteína al unirse al calcio emitía una luz azul. La segunda es la GFP (o proteína verde fluorescente) que se excita con la luz azul de la aequorina y emite luz verde. Así la medusa controlando cuanto calcio llegaba a la aequorina, podía controlar la intensidad de su luz. 

La aequorina es tremendamente útil, pues se puede emplear para medir las concentraciones de calcio dentro de la células (a más calcio, más luz) con gran precisión, lo cual es genial para investigar multitud de procesos, como el movimiento de la células musculares, la fecundación  o procesos de las neuronas (como la sinapsis).

La GFP posteriormente fue modificada por el doctor Tsien haciéndola más brillante y cambiando su longitud de onda de emisión y excitación, de modo que podemos tener proteínas fluorescentes que emitan en rojo, naranja, amarillo, azul…

 Placa de Petri con cultivos bacterianos, cada uno expresando un tipo diferente de proteína fluorescente

Por estos descubrimientos en 2008 se les concedió a Shimomura, Chalfie (que ayudó a aislarlas) y Tsien el premio Nobel de Química.

¿Y por qué es esto tan revolucionario?

Primero explicaré brevemente algunos conceptos. Para empezar diré que un gen tiene varias partes. Las que nos interesan a nosotros son 2: el promotor y la secuencia codificante. El promotor es una secuencia que indica cuándo y dónde debe expresarse lo que viene a continuación, es una indicación. Para que, por ejemplo, las proteínas exclusivas del músculo se expresen sólo en el músculo y no en el cerebro. La secuencia codificante es la que lleva las instrucciones de cómo montar una determinada proteína. Y las proteínas son la base de todos los procesos biológicos, forman el esqueleto de las células, generan la energía, reciben señales del exterior, hacen que se expresen los genes… en definitiva ellas lo hacen casi todo en la célula. A continuación en la imagen se muestra lo que se conoce como “el dogma de la biología” donde se muestra como pasa la información del ADN a proteínas.

Podemos usar estas proteínas fluorescentes como chivatos, para que nos digan (con la luz apropiada) dónde se encuentra claramente lo que queramos. Por ejemplo, tenemos un gen de una proteína que sabemos que interviene en el desarrollo de un tipo de cáncer, pero no sabemos en qué parte de la célula se encuentra. Para saberlo cogeremos el gen de esta proteína y uniremos (por decirlo de algún modo) su secuencia codificante con la de la proteína fluorescente. Cuando ese gen se traduzca a proteína, también lo hará nuestro chivato fluorescente y como estarán unidos, donde vaya la fluorescencia, allí va mi proteína. Esto puede ser vital si queremos desarrollar un fármaco que actúe de algún modo contra esa proteína.

Es más, podemos ver en vivo y en directo hacia donde van determinadas células. Por ejemplo cogeremos un promotor que haga que nuestra proteína fluorescente se exprese sólo en glóbulos blancos. Luego podemos hacer heridas o inducir tumores para observar su comportamiento y así estudiar mejor el funcionamiento de nuestro sistema inmunológico, lo que puede redundar en nuevos fármacos.

¿Y por qué he dicho peces en el título?

Porque el pez cebra (Danio rerio) es uno de los animales con los que más partido le puede sacar a estas proteínas, ya que tenemos variantes de este pez que son albinas y por tanto podemos ver su interior, y así ver donde se sitúa nuestra fluorescencia. De este modo podemos aprender más de las sutiles interacciones entre células o de la defensa global del sistema inmunitario contra patógenos; cosas que son imposibles de ver en un cultivo de células.

 Una larva de pez cebra con su sistema nervioso central fluorescente

Una cosa más. Para hacer estos experimentos tenemos que generar animales, plantas o microbios transgénicos (les introducimos el gen de la GFP); pero esto no tiene nada que ver con Monsanto ni nada de eso. Lo digo porque últimamente todo lo transgénico parece ser el demonio; muchas veces los campos en los que se cultivan transgénicos (de los laboratorios) no son para la agricultura, sino para investigar con plantas a las que les hemos introducido otros genes (como el de la GFP) para estudiar su desarrollo, sus interacciones; en definitiva para comprender mejor los procesos biológicos; lo que puede generar tratamientos más efectivos y menos contaminantes contra las plagas.

PD: Por cierto lo que tienen las luciérnagas no es la GFP sino la luciferasa y luciferina, pero eso da casi que para otro post le divulgación.