Снова ему пришлось выяснить причину свечения морского животного. На этот раз это была медуза Aequorea Victoria, которая светилась изумрудно-зеленым светом в водах гавани Фрайди Харбор. За несколько лет Симомура собрал (в соответствии с собственными подсчетами) около миллиона медуз, из которых выделял различные белки, пытаясь установить, который (или которые) из них отвечают за свечение.
В конечном итоге он обнаружил белок, который сейчас мы называем просто «зеленый флуоресцирующий белок». Для получения этого белка требовалось много усилий и времени, но все это было оправдано – за открытие и исследование зеленого флуоресцирующего белка Нобелевскую премию по химии 2008 года разделили Осаму Симомура из Лаборатории морской биологии США, Мартин Чолфи из Университета Колумбии и Роджер Тсин из Университета Калифорнии в Сан-Диего.
В чем причина такой популярности зеленого флуоресцирующего белка? Дело в том, что этот белок стал одним из наиболее часто используемых инструментов в биохимии. С помощью зеленого флуоресцирующего белка исследователи разработали способы наблюдения за процессами, которые ранее было невозможно наблюдать – от роста нервных клеток до развития раковых опухолей.
Химические процессы в организме контролируются работой десятков тысяч белков. При нарушениях в работе белковых молекулярных машин организм может заболевать, все это обуславливает необходимость построения правильной карты белкового обмена и функционирования для различных организмов.
Зеленый флуоресцирующий белок состоит всего лишь из 238 аминокислотных остатков. Может показаться, что это много, но на самом деле расшифровка структуры такого белка, а также гена, управляющего его биосинтезом, не является такой уж сложной задачей для биохимиков, и вскоре после определения структуры зеленого флуоресцирующего белка исследователи расшифровали участок ДНК, кодирующий биологический синтез зеленого флуоресцирующего белка.
Затем биохимик Мартин Чолфи показал, что организм может подвергнуться генетической модификации и любой организм может получить возможность вырабатывать зеленый флуоресцирующий белок и светиться зеленым светом при облучении светом с определенной длиной волны.
Используя генную инженерию, исследователи в состоянии связывать зеленый флуоресцирующий белок с другими важными, но невидимыми белками. Это позволяет отслеживать местоположение, движение и особенности межмолекулярных взаимодействий изучаемых белков в организме.
C помощью зеленого флуоресцирующего белка биохимики могут отслеживать судьбу различных клеток: поражение нервных клеток, вызванных болезнью Альцгеймера, следить за тем, как в растущем эмбрионе производятся инсулин-производящие клетки.
Роджер Тсин изучил причины флуоресценции зеленого флуоресцирующего белка. Он также расширил «световую гамму», модифицировав флуоресцирующие белки, что позволило метить разные клетки и разные белки разными цветами, позволяя отслеживать одновременно несколько различных биохимических процессов и получать информацию о сложных процессах обмена в результате лишь одного эксперимента.
Итак, зеленые медузы позволили Симомуре и другим исследователям найти белок, который может быть встроен в любой организм и, скажем, позволит получить не только генетически модифицированного зеленого светящегося кота – рекламу возможностей химии и биохимии, но и является незаменимым диагностическим инструментом современности.
4. Жизнь замечательных веществ
4.1. Вещества c необычными названиями
Название вещества «зеленый флуоресцирующий белок» сложно назвать обычным или построенным в соответствии с правилами номенклатуры. Традиция давать веществам названия, связанные с методикой их получения, их свойствами, особенностями применения, восходит к глубокой древности. Сейчас мы называем старые названия знакомых веществ «тривиальными», поминая о том, что в свое время до введения единой номенклатуры такой подход мог существенно тормозить развитие науки.
Например, в 1670 году английский натуралист Джон Рэй, нагревая в реторте рыжих лесных муравьёв (живых или мёртвых – история умалчивает) выделил кислоту, которую назвал «муравьиной» (под этим тривиальным названием сейчас мы и знаем эту кислоту, которая по номенклатуре будет называться «метановой»). Однако поскольку метановая-муравьиная кислота содержится и в крапиве, и в пчелах, не исключено, что она же в свое время открывалась другими, менее удачливыми в плане попадания в историю естествоиспытателями, которые могли назвать её и «пчелиной», и «крапивной» кислотой. Очевидно, что название в соответствии с общепринятыми нормами номенклатуры позволяет избежать повторного открытия или синтеза одного и того же вещества.
Почему же и в наше время первооткрыватели веществ дают им тривиальные названия, и более того – эти названия остаются в ходу? Конечно же, любое вещество можно назвать по номенклатуре, но чаще всего такие названия на письме будут занимать одну-две строчки (систематические номенклатурные названия белков так вообще могут растянуться на несколько страниц), что, естественно, осложнит письменное научное общение, не говоря уже про устное: не кривя душой, скажу, что если на конференции или защите докладчик старательно на протяжении всего выступления многократно повторяет полное номенклатурное название вещества, уже к окончанию первой трети доклада слушателей начинает тянуть в сон, а те, кто предусмотрительно занял места вблизи выхода из аудитории, как правило, спонтанно решают размяться в коридоре или разместиться на стратегически значимых позициях перед кофе-брейком конференции.
Чтобы такого не происходило, тривиальные названия продолжают применяться на равных правах с номенклатурными, зачастую заменяя их, но, конечно, только в тех случаях, где это оправданно. Понятно, что такие названия могут показаться странными или даже забавными.
Криптостерол
Это вещество можно считать родоначальником всех стероидов. В соответствии с номенклатурой криптостерол представляет собой базовую структуру стероидов, которая служит для получения всех остальных путем биохимических модификаций. Еще одно название криптостерола – «ланостирол», который был выделен из овечьей шерсти в 1930 году Видхаусом и Чеше. В 1958-м нобелевский лауреат Блок сообщил о синтезе ланостерола из изохолестерола, а в 1966 году ван Тамелен получил ланостерол из сквалена.
До настоящего времени ланостерол был интересен только с точки зрения истории и биохимии стероидов, но в начале 2015 года Жанг (K. Zhang) из Университета Калифорнии (Сан Диего) выяснил, что ланостерол вовлечен в генетику развития катаракты у людей. Они выяснили, что генетическая основа острой катаракты заключается в мутации гена, кодирующего ланостеролсинтазы, фермента, отвечающего за выработку ланостерола, а затем – что ланостерол снижает скорость образования белковых агрегатов, отвечающих за формирование катаракты, хотя ряд офтальмологов оспаривают возможность терапевтического применения ланостерола для лечения катаракты.
Травматическая кислота
Травматическая кислота ((E) – додека-2-ендиовая кислота) действительно связана с травмами. Это гормон растительного происхождения, который активирует деление клеток и таким образом позволяет быстрее заживлять травмы и раны. Отсюда, собственно, название кислоты и ее второе название – «гормон ран».
Чем земляничный альдегид похож на морскую свинку?
Земляничный альдегид, или альдегид-16 – этиловый эфир α,β-эпокси-β-метил-β-фенилпропионовой кислоты. Представляет собой бледно-жёлтую жидкость, хорошо растворимую в органических растворителях. Запах этого соединения напоминает запах земляники, поэтому оно применяется в промышленности как ароматизатор.
С точки зрения химии этот вещество не имеет никакого отношения к альдегидам – в нем есть сложноэфирная и эпоксидная функциональные группы, при этом и прилагательное «земляничный» тоже оказывается совершенно не в тему – ни из ягод лесной, ни из ягод садовой земляники это вещество не было выделено, возможно, оно там вообще не содержится, а название определяется только земляничным запахом.
Гиппопопотная кислота
Гиппосудоровая кислота представляет собой ярко-красное вещество с отвратительным запахом, выделенное из пота гиппопотама. Его название на русский язык действительно можно перевести как «гиппопопотная» – она происходит от слов hippo – гиппопотам и sudor (пот – по латыни), поэтому ее действительно можно назвать «кислота из пота бегемота», или «гиппопопотная кислота».
Гиппосудоровая кислота поглощает ультрафиолет, поэтому бегемотам не нужно бегать в косметические лавки за мазью для загара, также она проявляет и бактерицидные свойства. Красный цвет гиппосудоровой кислоты послужил основой формирования мифа о том, что бегемоты потеют кровью.
Большую часть кленового сиропа получают из сока сахарного клена (Acer saccharum), при этом около 80 % кленового сиропа производят в провинции Квебек, поэтому вполне естественно, что когда из сиропа было выделено ранее неизвестное соединение – полифенол со спиртовой группой, это соединение получило название «квебекол» (систематическое название – 2,3,3-три-(3-метокси-4-гидроксифенил)-1-пропанол).
Квебекол
Полный синтез квебекола был осуществлен в 2013 году. Предполагается, что в самом кленовом соке его нет и он образуется в процессе переработки сока в кленовый сироп. В 2014 году на встрече американского химического общества было сделано сообщение о том, что квебекол, как и некоторые другие полифенолы кленового сиропа, обладают противовоспалительной и антиоксидантной активностью.
Мегатомная кислота
Молекула не имеет ничего общего ни с мегатоннами и ядерными взрывами, ни мегаатомами, она даже не может превратить обычного человека в мегагероя. Такое меганазвание кислота заслужила в честь жука – коврового кожееда (Attagenus megatoma), который приноровился использовать эту кислоту в качестве полового аттрактанта. Номенклатурное название этого вещества – (3E,5Z)-3,5– тетрадекановая кислота.
Кетон кузнечика
Возможно, в данном случае народ просто решил не утруждаться и не выдумывать ничего лишнего. Кетон кузнечика выделен из защитных секреторных выделений нелетающего кузнечика Romalea microptera.
Возможно, после долгой полевой работы, ловли кузнечиков, «дойки» их и сбору секреторных выделений химики были настолько утомлены, что на построение номенклатурного названия (а оно звучит так: 5-(2,4-дигидрокси-2,6,6-триметилциклогексилиден)пент-4-ен-2-он) у них просто не осталось ни сил, ни мотивации, после чего, особо не заморачиваясь, они назвали это вещество «кетоном кузнечика».
Берберин
Берберин – алкалоид катионного ряда, который был впервые выделен в 1917 году из желтокорня канадского (Hydrastis canadensis), североамериканского растения. Это соединение локализуется в корнях, стеблях и коры многих растений, включая барбарис (растущий по всему миру), желтокорень (растущий в юго-западных штатах США) и амурское пробковое дерево. Обычно берберин существует в форме соли-хлорида, однако в 1969 году был получен йодид.
Интенсивная жёлтая окраска берберина и его способность к флуоресценции позволяли использовать его в качестве красителя в период становления текстильной промышленности (в Индии им до сих пор красят шерсть), также его применяют в гистологии для введения флуоресцентных меток.
Самым широким примером использования берберина, однако, является его применение в качестве растительной добавки к пище. Он обладает противомикробной и противовоспалительной активостью, исследовался в качестве препарата для лечения диабетов, рака, гиперлипидемии, сердечно-сосудистых заболеваний и даже ВИЧ. Клинические испытания показывают, что берберин в общем безопасен, однако может взаимодействовать с рядом лекарств, прописываемых беременным и кормящим.
Дракулин
Дракулин (вещество названо, естественно, в честь графа Дракулы) – гликопротеид (соединение, в котором содержатся белковая цепь из остатков аминокислот и углеводный фрагмент), который содержится в слюне летучих мышей – вампиров. Он состоит из 411 остатков аминокислот и весит около 88 500 Дальтон (атомных единиц массы). Дракулин работает как антикоагулянт, ингибируя факторы свертываемости крови, тем самым не давая крови укушенной жертвы свернуться, пока довольный вампир питается.
В течение периода в четверо суток (между периодами питания) слюна вампира постепенно понижает свою антикоагуляционную активность, хотя за это время не наблюдается значительного понижения содержания белка в слюне. Через четверо суток (независимо от того, поел вампир или нет) способность его слюны препятствовать свертыванию крови возрастает. Исследования показывают, что образцы чистого дракулина, выделенного из слюны с высокой и низкой активностью различаются строение углеводного фрагмента, именно который и определяет способность белка к свертыванию крови.
Медхимики изучают дракулин в качестве потенциального препарата для лечения инсультов и инфарктов, а также в качестве потенциального разжижителя крови для профилактики тромбообразования.