La medusa y su prote¨ªna verde

La prote¨ªna verde fluorescente ha existido durante m¨¢s de 160 millones de a?os en los foto¨®rganos de una especie de medusa, Aequorea victoria, y es en parte responsable de su bioluminiscencia. Los organismos bioluminiscentes son capaces de emitir luz transformando energ¨ªa qu¨ªmica en lum¨ªnica, como las luci¨¦rnagas, o bien mediante fluorescencia, absorbiendo luz de un determinado color (longitud de onda) y liberando la energ¨ªa absorbida en forma de luz de una longitud de onda mayor. La primera descripci¨®n de un organismo bioluminiscente data de muy antiguo y se debe a Cayo Plinio Segundo el Viejo (23-79 DC), quien describi¨® en su Historia Natural la existencia de unas medusas en la bah¨ªa de N¨¢poles que resplandec¨ªan con una tonalidad verdosa al ser expuestas a la luz solar. Plinio desarroll¨® una t¨¦cnica para decorar cer¨¢mica empleando triturados de estos animales.

La primera descripci¨®n de un ser bioluminiscente se debe a Plinio

Hay mol¨¦culas fluorescentes que emiten en todos los colores del arco iris

Unos cuantos siglos despu¨¦s, en el verano del 1961, el cient¨ªfico japon¨¦s Osamu Shimomura se dedic¨® a exprimir m¨¢s de 10.000 ejemplares de Aequoria para aislar la sustancia responsable de la bioluminiscencia de esta medusa. Sus estudios, galardonados este a?o con el Nobel de Qu¨ªmica, condujeron a la identificaci¨®n de la prote¨ªna que emit¨ªa fluorescencia verde (GFP, siglas en ingl¨¦s) al ser iluminada con luz azul.

Shimomura caracteriz¨® posteriormente la porci¨®n de la prote¨ªna (fluor¨®foro) que le confiere la capacidad de absorber y emitir luz y demostr¨® que, a diferencia de otras prote¨ªnas bioluminiscentes, la GFP no requiere ning¨²n aditivo para fluorescer. Esta singular propiedad es uno de los factores que ha hecho que la GFP pasara de ser una curiosidad cient¨ªfica a convertirse en una poderosa herramienta extensamente utilizada en Biolog¨ªa.

Martin Chalfie (EE UU), el segundo galardonado con el Nobel, demostr¨® que el gen de la GFP, el fragmento de ADN del genoma de la medusa que contiene el c¨®digo para su bios¨ªntesis, pod¨ªa ser introducido en otros organismos vivos, unicelulares como la bacteria intestinal Escherichia coli o multicelulares como el gusano Caenorhabditis elegans, conduciendo a la expresi¨®n de una prote¨ªna que conservaba la fluorescencia. Este descubrimiento abri¨® las puertas a la utilizaci¨®n de la GFP como marcador tanto de c¨¦lulas individuales como de organismos enteros.

En fechas m¨¢s recientes se han generado numerosos animales transg¨¦nicos, desde ratones a cerdos pasando por conejos, gatos y peces, que expresan prote¨ªnas fluorescentes y que tienen aplicaciones muy diversas en investigaci¨®n biom¨¦dica y biotecnol¨®gica o incluso como ex¨®ticos animales de compa?¨ªa. As¨ª, por ejemplo, el marcaje con prote¨ªnas fluorescentes permite visualizar de forma no invasiva la evoluci¨®n de tumores en animales de experimentaci¨®n, simplemente observando la fluorescencia que emiten las c¨¦lulas cancerosas al iluminar los animales vivos con luz del color adecuado.

La observaci¨®n del crecimiento de bacterias pat¨®genas, del desarrollo de circuitos neuronales o de la enfermedad de alzh¨¦imer, la detecci¨®n de contaminaci¨®n por metales pesados o la lucha contra la malaria son ejemplos de los muchos estudios que han visto luz verde gracias a la GFP.

El tercer laureado, Roger Y. Tsien (estadounidense), describi¨® c¨®mo se forma espont¨¢neamente el fluor¨®foro de la GFP y contribuy¨® a la determinaci¨®n de su estructura tridimensional, una curiosa forma cil¨ªndrica semejante a una lata de refresco, con el fluor¨®foro situado en su interior. Esto permiti¨® al laboratorio de Tsien dise?ar variantes de la GFP y de otras prote¨ªnas fluorescentes, tambi¨¦n aisladas de organismos marinos, que brillan con mayor intensidad y que cubren una extensa gama de colores. Su mayor contribuci¨®n ha sido generar y poner a disposici¨®n de la comunidad cient¨ªfica un gran n¨²mero de prote¨ªnas fluorescentes que emiten luz en pr¨¢cticamente todos los colores del arco iris.

Si facilitar la observaci¨®n de c¨¦lulas individuales supone un gran logro, la utilizaci¨®n de prote¨ªnas fluorescentes ha permitido a los investigadores ir mucho m¨¢s all¨¢ y les ha capacitado para analizar procesos que ocurren en el interior celular. Las reacciones qu¨ªmicas que sustentan la vida est¨¢n reguladas por enzimas, unas prote¨ªnas que controlan cu¨¢ndo y d¨®nde en la c¨¦lula tiene lugar una determinada reacci¨®n. Otras prote¨ªnas tienen papeles estructurales y son responsables de la integridad y movimiento celulares, mientras que otras son esenciales en procesos de reconocimiento molecular y celular, los cuales permiten, por ejemplo, establecer la necesaria comunicaci¨®n entre las c¨¦lulas que componen un ¨®rgano o la respuesta a est¨ªmulos extracelulares como neurotransmisores u hormonas. Para entender el funcionamiento de la c¨¦lula es imprescindible conocer d¨®nde se localizan las prote¨ªnas implicadas en estos procesos y c¨®mo interaccionan entre ellas.

El problema es enorme, ya que en el interior celular coexisten centenares de miles de prote¨ªnas diferentes y su peque?o tama?o hace que la observaci¨®n directa sea imposible, ni con el microscopio m¨¢s potente. Con t¨¦cnicas de ADN recombinante, al alcance de cualquier laboratorio bioqu¨ªmico, se puede unir el gen de la GFP al gen de la prote¨ªna que se desee, de tal forma que la c¨¦lula que incorpore esta construcci¨®n expresar¨¢ una prote¨ªna en la que se ha a?adido la GFP a su secuencia original.

La prote¨ªna marcada es ahora f¨¢cilmente distinguible, como un ciclista equipado con los reglamentarios elementos reflectantes, y mediante la simple iluminaci¨®n con la luz adecuada se puede observar en el microscopio su localizaci¨®n o tr¨¢fico intracelular. Por otro lado, la posibilidad de etiquetar a la vez prote¨ªnas diferentes con colores distintos permite tambi¨¦n analizar d¨®nde, cu¨¢ndo y bajo qu¨¦ est¨ªmulos interaccionan. Adem¨¢s de la inherente simplicidad de esta tecnolog¨ªa, lo que la convierte en realmente revolucionaria es que, a diferencia de otros m¨¦todos que deben emplear c¨¦lulas muertas, el marcaje con prote¨ªnas fluorescentes permite realizar estos an¨¢lisis a tiempo real y en c¨¦lulas vivas.

Cuando Shimomura inici¨® el estudio de organismos marinos bioluminiscentes, tan s¨®lo pretend¨ªa entender qu¨¦ es lo que les hac¨ªa emitir luz. Sin embargo, sus trabajos y los que siguieron constituyen un ejemplo m¨¢s de c¨®mo la investigaci¨®n b¨¢sica puede conducir, a veces de forma inesperada, a una verdadera revoluci¨®n cient¨ªfica.

Joan C. Ferrer es profesor de la Universidad de Barcelona (Departamento de Bioqu¨ªmica y Biolog¨ªa Molecular).