Świecący mózg muszki owocówki

muszka owocowaZespół naukowców wykorzystał zjawisko bioluminescencji, a dokładnie białko GFP sfuzjowane z wapniowo zależnym białkiem akworyną, do określenia aktywności neuronów pod względem ich pobudliwości przy napływie wapnia do komórki. Natomiast zastosowanie tak opracowanej metody może mieć szerszy zakres, wszędzie tam gdzie występuje wapniowa regulacja procesu.

Bioluminescencja może być zjawiskiem naturalnym, tak jak jest to w przypadku wielu bakterii, może być zjawiskiem ubocznym procesów chemicznych, np. u grzybów, może być także wykorzystywany w biologii molekularnej. Do metod, które wykorzystują zjawisko bioluminescencji zaliczą się sposób detekcji i lokalizacji określonych białek, po ich sfuzjowaniu z białkiem Green Fluorescent Protein, czyli GFP, które jak sama nazwa wskazuje emituje światło koloru zielonego. Białko absorbuje promieniowanie przy długości fal A = 509 nm. Można go wykorzystać do wielu badań, gdyż GFP jest całkowicie nie toksyczne.

Naukowcy francuskiej organizacji CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) wraz z pracownikami z Instytutu Pasteur’a w Paryżu (The Molecular Embryology Unit) oraz we współpracy z naukowcami z Cellular and Molecular Neuorobiology Laboratory prowadzili badania nad Drosophila melanogaster. Wykorzystali oni sfuzjowane białko GFP razem z akworyną do wizualizacji komórek nerwowych w mózgu Drosophila oraz obserwacji regulacji neuronów.

Akworyna jest białkiem wyizolowanym z Aequorea sp. Jest zbudowane z dwóch podjednostek: apoproteinowej - apoakworyna oraz grupy prostetycznej - koelenterazyny, która należy do grupy białek z rodziny lucyferaz (enzymów wykorzystujących wysokoenergetyczne procesy do wytworzenia światła). Akworyna jest aktywowana pod wpływem tlenu cząsteczkowego oraz jest bardzo czuła na zmieniające się stężenie tychże jonów. Kiedy następuje związanie Ca2+ do akworyny następuje białkowa zmiana konformacyjna. Ponadto następuje również utlenienie grupy prostetycznej, która pod wpływem takiej zmiany emituje światło niebieskie, A = 469 nm.

Detekcja bioluminescencji sfuzjowanych białek odbywa się na drodze epifluorescencji. Ogólnie jest to sposób na wykrycie procesów, które są kontrolowane przez wapń. Jak np. ma to miejsce w neuronach. Komórka nerwowa jest pobudzana przez napływ jonów wapnia do środka, co zwiększa stężenie akworyn, które są sfuzjowane z GFP. Taki proces wywołuje zjawisko świecenia (bioluminescencji) GFP.

Ta nowa metoda, czyli użycie fuzji białek GFP i akworyn do detekcji neuronów, oraz innych miejsc gdzie występuje regulacja za pomocą jonów Ca2+, może również przyczynić się do wizualizacji wszystkich komórek nerwowych na tle całego mózgu. Takie postępowanie było zastosowane u Drosophila melanogaster. Co więcej taka detekcja była możliwa nawet po 24 do 48 godzinnym "zaszczepieniu" muszkom białek fuzyjnych.

Oprócz neuronów, gdzie wapń niewątpliwie odgrywa bardzo dużą rolę, metoda ta została zastosowana również do badań nad strukturami, które mają bardzo szerokie znaczenie przy procesie poznawania i pamięci węchowej u Drosophila melanogaster. Ponadto była użyta do wnikliwego badania ciałek elipsoidalnych, które są odpowiedzialne za aktywność lokomocyjną muszek. Struktura ta jest ściśle związana z centrum mózgu. Jeszcze dotąd nie była badana, ze względu na niedostępność markerów fluorescyjnych. Bariera niedostępności została zniesiona przez zastosowanie sfuzjowanych białek (podawanych dożylnie).

Użycie zjawiska bioluminescencji otwiera nowe perspektywy na badania, oraz rodzi nowe pomysły na eksperymenty. Jest możliwa detekcja wszystkich komórek systemu nerwowego w mózgu (neuronów i komórek glejowych) na tle całej jego struktury. Po raz pierwszy możliwe jest utworzenie szkicu mapy mózgu pod względem funkcjonalnym i anatomicznym- w tym przypadku na razie Drosophila melanogaster; taka mapa jeszcze nie istnieje dla zwierząt, i dla człowieka. Fakt ten otwiera nowe możliwości do badań dla wielu naukowców.

Taka zdolność może być wykorzystana np. do porównywania wpływu wieku, lub różnic płci na aktywność nerwową w mózgu. Np. dowiedziono już, że mutacja w genie insulinowym u Drosophila melanogaster wpływa na to, że muszka żyje dłużej, ale jakie to zmiany powoduje w mózgu? Do tego mogą dochodzić badania nad zmianami jakie występują w mózgu osób cierpiących na chorobę Parkinsona, lub z syndromem Huntingtona oraz jak podawane leki wpływają na stan komórek nerwowych w mózgu.

Powstawanie nowych metod lub ulepszanie tych już istniejących pozwala na lepsze poznanie otaczającego nas świata. Bioluminescencja staje się coraz lepszym "narzędziem" do badań, a tym samym przyczynia się do zwiększenia stanu posiadanych wiadomości oraz na polepszenie chociażby leczenia chorób związanych, w tym przypadku, z układem nerwowym.

Źródła:
- Eurekalert!, Bioluminescence at the service of a novel cerebral imaging technique,
- Chimeric green fluorescent protein-aequorin as bioluminescent Ca2+ reporters at the single-cell level z Proc Natl Acad Sci U S A;vol.97(13); Jun 20, 2000