Почти 40 лет назад, в 1962 году, команде Усаму Симомури, состоящей из трех человек, удалось создать флуоресцентную медузу вида Aequorea victoria. Извлечь зеленый флуоресцентный белок и описать его свойства. В 2008 году Осаму Шимомура был частью другого научного трио, которое было удостоено Нобелевской премии по химии. Флуоресцентные белки, чей короткий генетический код можно относительно легко ввести в живую клетку, стали незаменимыми биомаркерами для современной биологии и генетики на протяжении четырех десятилетий.
Сегодня у ученых есть целый ряд различных цветов, в основном генетически модифицированных флуоресцентных белков, которые индуцируют фотоны с различной энергией в таинственную флуоресценцию, что позволяет исследователю выбрать наиболее подходящий маркер для конкретного исследования. Когда его генетический код вводится в цепь ДНК определенного гена, белки, которые он производит, обогащаются в флуоресцентной области, что делает его видимым.
Это позволяет, например, изучать активность отдельных генов, распространение опухолевых клеток, развитие различных частей тела и органов у эмбрионов экспериментальных животных, например создание специфических нейронных сетей в головном мозге непосредственно у живых организмов. Люминесцентные биомаркеры предлагают бесчисленное множество различных вариантов, даже с коммерческой целью - в 1999 году на рынке появились трансгенные флуоресцентные аквариумные рыбы, за которыми следуют мыши и кошки, свиньи, кролики ...
Самая яркая клетка
В последнем выпуске Nature Photonics американская пара Malte C. Gather и Seok Hyun Yun представляют нетипичную «одноклеточную живую клетку, продуцирующую флуоресцентный белок» (аннотация из статьи). Это не надуманное сравнение, ученые действительно объединили генно-инженерную клетку, в которую они ввели программу для обычного зеленого флуоресцентного белка, а оптические системы создали лазер - то есть усиление света. Это означает, что они стимулировали возбуждающий свет стимулированным излучением. Конечно, характеристики других лазеров нельзя сравнивать с характеристиками других лазеров, и при этом их нельзя использовать для этой цели. Его луч узкий и направленный, состоит из симпатичного зеленого ока, видимого невооруженным глазом, но не связного и слишком слабого по интенсивности.
Тем не менее, это примерно в десять раз больше, чем у клетки медузы, из которой происходит флуоресцентный белок. Комбинация клеток и оптического резонатора
Malte C. Gather и Seok Hyun Yun подготовили питательный раствор, содержащий генетически модифицированные клетки эмбриона печени человека, которые продуцировали зеленый флуоресцентный белок. Затем они поместили его маленькую каплю на специальное брэгговское зеркало диаметром 3 см. Над ним, на расстоянии 200 микрон, они разместили еще один, создав оптический резонатор микрорезонатора. В поле зрения микроскопа обоими зеркалами манипулировали до тех пор, пока они не смогли уменьшить ширину полости до 20 микрон и зафиксировать в ней одну живую клетку. Затем они облучали систему короткими наносекундами импульсов синего лазерного света.
Оба оптических зеркала, используя многократные отражения, усилили свое воздействие на ячейку, которая пережила сотню и более таких импульсов легко и без повреждений. Ученые проверили серию экспериментов о том, как флуоресцентный белок реагирует при увеличении интенсивности первичного лазерного луча. Они обнаружили, что, когда его энергия превысила 1 нДж (миллиардная доля Джоуля), интенсивность зеленого излучения резко возрастет, и в его спектре будет только несколько узких, но отчетливых пиков излучения. По мнению авторов, что молекулы флуоресцентного белка находятся в возбужденном состоянии и сияют не из-за спонтанного, а из-за стимулированного излучения фотонов.
Таким образом, система действует как лазер. Обладает интересным свойством самовосстановления. Когда белок с флуоресцентным фрагментом разрушается, клетка производит свои другие молекулы.
Знания без практического применения.
Тем не менее. Хотя это, несомненно, интересный результат с точки зрения знания, его практическое использование — это вопрос без конкретного ответа. Скорее всего, молекулярный биолазер может быть полезен при исследованиях отдельных клеток in vitro.
Однако для этого необходимо уменьшить оптический резонатор микрорезонатора до такой степени, чтобы он мог стать внутриклеточной структурой. Сама ячейка могла бы тогда действовать как автономный микролазер. Тем не менее, любое использование внутри организма сталкивается с осложнением — система требует первичного излучения возбуждения. У экспериментальных животных это может быть решено, например, с помощью тонких оптических волокон, введенных в интересующую ткань. Но это ожидание развития, которое вряд ли произойдет.
