REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Enero•Abril de 2013
Editorial
Las tortugas: entre los habitantes más antiguos
La iguana de cola espinosa: saurio de los tejados tropicales
Taxkat, la abeja nativa de Mesoamérica
El chicahuastle: un árbol endémico de Jalcomulco
Si piso me hundo: los humedales
Apuesta biotecnológica: etanol de segunda generación
Plantas oleaginosas: fuente de biocombustibles
y biolubricantes
GPF: del océano a la ciencia

Los hongos marinos: opción entre los productos naturales

El frijol común: factores que merman su producción
Los alimentos extrudidos están por todos lados
La geometría del cuerpo propio
Entrevista: Angélica García Vega

Distintas y distantes: mujeres en la ciencia. Las Conversaciones de Jane Marcet

Los libros curiosos de la ciencia
Contenido
 

GPF: del océano a la ciencia

Azucena Muñoz Ramírez, Aracely López Monteón, Ángel Ramos Ligonio,

Enrique Méndez Bolaina y Mario Roberto Bernabé Guapillo Vargas

Un descubrimiento brillante

Mientras más oscuro sea el entorno, más extraordinaria será la luz que lo pueda iluminar, y esto justamente fue lo que observaron Osamu Shimomura y sus colaboradores en los años 60, cuando trabajando en la Universidad de Princeton en el laboratorio de Frank Johnson estudiaban la bioluminiscencia de la medusa Aequorea victoria (Figura 1). La pregunta que se hacían era por qué esta medusa podía emitir una característica luz verde. Tiempo más tarde, y después de recolectar miles de medusas, lograron identificar una fotoproteína a la que denominaron aequorina, que al ser activada con calcio emitía una luz azul. Observaron después que la luz de la medusa adquiría un tono verdoso bajo la luz ultravioleta, y que esta coloración se debía a otra proteína, a la que llamaron “proteína verde fluorescente” (Green Fluorescent Protein, o GFP). La función de la GFP es la de convertir la luz azul emitida por la aequorina en luz verde, y con esto aumenta tanto la producción de luz por la misma aequorina y la transmisión de luz en el océano. La medusa Aequorea victoria es generalmente translúcida, pero frecuentemente está decorada con estructuras brillantes, ya que la GFP emite bioluminiscencia en la zona verde del espectro visible.

Figura 1. Medusa Aequorea victoria.
Fotografía de un espécimen vivo.

Tras las publicaciones de Shimomura sobre esta proteína, muchos investigadores se han interesado en conocer más acerca de la GFP. Así fue como Douglas Prasher y sus colaboradores lograron aislar y clonar en 1992 el gen responsable de la GFP, determinando la secuencia exacta de los 238 aminoácidos que la componen. Casi al mismo tiempo, Martin Chalfie se preguntó si sería posible implantar GFP de la medusa en un gusano llamado Caenorhabditis elegans para que sintetizara la proteína y produjera luz (Figura 2). De esta forma, se podría observar en vivo qué genes intervienen en la bioluminiscencia. Chalfie estaba en lo cierto: la GFP podía hacer brillar a criaturas distintas a la medusa. Era, pues, una proteína perfecta para la revolución de la biología molecular, y pronto fue implantada en experimentos con genes de diversas plantas, ranas, peces, cabras, ratones, conejos, monos, moscas y levaduras.

Figura 2. Expresión de GFP en un gusano
Caenorhabditis elegans.

Durante algún tiempo no se supo exactamente cómo la GFP generaba la fluorescencia, hasta que Roger Tsien y sus colaboradores de la Universidad de California obtuvieron una respuesta. Demostraron que el fluoróforo –esto es, la parte de la molécula que la hace fluorescente– se forma a partir de una secuencia muy específica de aminoácidos. Lo único que se necesita para que esto ocurra es oxígeno molecular. Además, por medio de la ingeniería de proteínas, los científicos lograron producir una gran cantidad de proteínas mutantes tipo GFP con propiedades mejoradas, de manera que pudieron ampliar la gama de colores de la proteína y producir variantes más estables e intensas en tonos como amarillo, violeta o azul, una contribución muy importante que representa la base para el estudio simultáneo de diversas proteínas en una célula, lo que se logra marcándolas con distintos colores. Gracias a estos exhaustivos trabajos, Osamu Shimomura, Martin Chalfie y Roger Tsien recibieron en 2008 el Premio Nobel de Química por el descubrimiento y desarrollo de la GFP.

Linterna verde

La GFP es la única de las proteínas que emiten luz, y que tampoco requiere de la presencia de cofactores o sustratos para generar esa luz verde, lo que se demostró cuando el fragmento de DNA de la GFP pudo ser expresado en bacterias y en gusanos, lo que hizo que esos organismos brillaran cuando se iluminaban con luz ultravioleta. El fluoróforo de esta proteína, que es la parte química excitable y es la que tiene la capacidad de brillar de un color verdoso, está formado por solo tres aminoácidos. Las características estructurales principales de la GFP se conserva bien en todas sus mutantes o versiones, pero difieren en sus propiedades luminiscentes, por lo que algunas variantes tienen diferentes colores. En cuanto a su estructura, la GFP se asemeja a un cilindro, ubicándose el fluoróforo a la mitad en el centro geométrico de ese cilindro (Figura 3). Mediante el análisis del fluoróforo y de otras regiones de la proteína se han producido formas perfeccionadas de la GFP, una de las cuales emite luz azul (Blue Fluorescent Protein, o BFP), una variante que brilla en color rojo y otra aún más brillante que la verde original.

Figura 3. GFP, representación de la estructura de barril
que rodea al fluoróforo central.

Ilumina la vida

Muchos laboratorios han mostrado que la GFP puede producir fluorescencia verde en una gran variedad de organismos, como bacterias, mixomicetos, plantas y mamíferos (Figura 4). Las numerosas aplicaciones de esta proteína incluyen su uso como reportero de la expresión de genes, como marcador para el estudio del linaje celular durante el desarrollo y como etiqueta para localizar ciertas proteínas en las células. En efecto, la extraordinaria GFP se ha usado para localizar proteínas y visualizar sucesos dinámicos dentro de las células vivas mediante microscopía de fluorescencia. Pueden fusionarse algún gen clonado de interés y el gen de la GFP, y el producto de esa fusión se introduce en algún organismo para que se exprese de manera transitoria o estable. La proteína resultante puede ser vista y seguirse en tiempo real usando microscopía convencional de fluorescencia, algo que antes solamente podía soñarse. Las aplicaciones incluyen también la visualización de las propiedades dinámicas de los organelos celulares de tamaño microscópico; en otras palabras, gracias a la GFP es posible observar la actividad de los componentes internos de las células. Esta linterna verde también puede indicar directamente el nivel de expresión genética en células vivas o tejidos.

Esta brillante proteína es empleada en la llamada “terapia génica”, la cual está revolucionando actualmente la medicina. Además, gracias a que la señal de GFP puede detectarse fácil y rápidamente sin necesidad de manipular las muestras, la utilidad más prometedora consiste en su uso en procedimientos de selección de células que lleven un gen que interese conocer.

Figura 4. Ratones transgénicos con DNA de GFP. Todos sus tejidos, con excepción de los eritrocitos y el cabello,
son verdes al ser excitados con luz ultravioleta.

La plasticidad de GFP, debido a sus diferentes propiedades luminiscentes, permite rastrear simultáneamente varias proteínas en células vivas marcando cada una de ellas con un color diferente, lo que ha llevado a numerosos científicos a explorar el lado artístico de la biotecnología. Un par de formas distintas de GFP pueden usarse en experimentos de transferencia de energía por resonancia de fluorescencia para detectar la proximidad de dos proteínas dentro de una célula viva. Usando este principio de transferencia de energía, se pueden investigar las interacciones entre esas proteínas en el ambiente celular.

Figura 5. Levaduras expresando distintas versiones de GFP (arriba)
y células vivas con citoplasmas fluorescentes por la expresión
de GFP (abajo).

La GFP se ha convertido así en una herramienta invaluable en muchas ramas de la investigación biológica. Quizá lo más importante es que por primera vez se pueden estudiar a fondo las células vivas y los organismos, lo que traerá consigo una nueva era en la investigación biológica en el estudio molecular (Figura 5). La contribución de las proteínas fluorescentes a nuestra comprensión de la dinámica celular y las redes de interacción molecular ha comenzado, así como la generación de nuevas GFP mejoradas y de distintos colores, lo que sin duda hará posible la construcción de sensores para analizar una mayor variedad de procesos bioquímicos y estudiarlos en los niveles subcelular y celular, así como en organismos completos. La GFP es así una luz que guía en el camino de las biociencias.

Para el lector interesado

  • Shimomura, O., Johnson, F.H. y Saiga, Y. (1962). Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan Aequorea. Journal of Cell Comparative Physiololgy, 59, 223-239.
  • Prasher, D.C., Eckenrode, V.K., Ward, W.W., Prendergast, F.G. y Cormier, M.J. (1992). Primary structure of the Aequorea victoria green-fluorescent protein. Gene, 111, 229-233.
  • Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W.W. y Prasher, D.C. (1994). Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science, 263, 802-805.
  • Heim, R., Prasher, D.C. y Tsien, R.Y. (1994). Wavelength mutations and posttranslational autoxidation of green fluorescent protein. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 91, 12501-12504.