La medusa y su proteína verde

La proteína verde fluorescente ha existido durante más de 160 millones de años en los fotoórganos de una especie de medusa, Aequorea victoria, y es en parte responsable de su bioluminiscencia. Los organismos bioluminiscentes son capaces de emitir luz transformando energía química en lumínica, como las luciérnagas, o bien mediante fluorescencia, absorbiendo luz de un determinado color (longitud de onda) y liberando la energía absorbida en forma de luz de una longitud de onda mayor. La primera descripción de un organismo bioluminiscente data de muy antiguo y se debe a Cayo Plinio Segundo el Viejo (23-79 DC), quien describió en su Historia Natural la existencia de unas medusas en la bahía de Nápoles que resplandecían con una tonalidad verdosa al ser expuestas a la luz solar. Plinio desarrolló una técnica para decorar cerámica empleando triturados de estos animales.

La primera descripción de un ser bioluminiscente se debe a Plinio

Hay moléculas fluorescentes que emiten en todos los colores del arco iris

Unos cuantos siglos después, en el verano del 1961, el científico japonés Osamu Shimomura se dedicó a exprimir más de 10.000 ejemplares de Aequoria para aislar la sustancia responsable de la bioluminiscencia de esta medusa. Sus estudios, galardonados este año con el Nobel de Química, condujeron a la identificación de la proteína que emitía fluorescencia verde (GFP, siglas en inglés) al ser iluminada con luz azul.

Shimomura caracterizó posteriormente la porción de la proteína (fluoróforo) que le confiere la capacidad de absorber y emitir luz y demostró que, a diferencia de otras proteínas bioluminiscentes, la GFP no requiere ningún aditivo para fluorescer. Esta singular propiedad es uno de los factores que ha hecho que la GFP pasara de ser una curiosidad científica a convertirse en una poderosa herramienta extensamente utilizada en Biología.

Martin Chalfie (EE UU), el segundo galardonado con el Nobel, demostró que el gen de la GFP, el fragmento de ADN del genoma de la medusa que contiene el código para su biosíntesis, podía ser introducido en otros organismos vivos, unicelulares como la bacteria intestinal Escherichia coli o multicelulares como el gusano Caenorhabditis elegans, conduciendo a la expresión de una proteína que conservaba la fluorescencia. Este descubrimiento abrió las puertas a la utilización de la GFP como marcador tanto de células individuales como de organismos enteros.

En fechas más recientes se han generado numerosos animales transgénicos, desde ratones a cerdos pasando por conejos, gatos y peces, que expresan proteínas fluorescentes y que tienen aplicaciones muy diversas en investigación biomédica y biotecnológica o incluso como exóticos animales de compañía. Así, por ejemplo, el marcaje con proteínas fluorescentes permite visualizar de forma no invasiva la evolución de tumores en animales de experimentación, simplemente observando la fluorescencia que emiten las células cancerosas al iluminar los animales vivos con luz del color adecuado.

La observación del crecimiento de bacterias patógenas, del desarrollo de circuitos neuronales o de la enfermedad de alzhéimer, la detección de contaminación 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), describió cómo se forma espontáneamente el fluoróforo de la GFP y contribuyó a la determinación de su estructura tridimensional, una curiosa forma cilíndrica semejante a una lata de refresco, con el fluoróforo situado en su interior. Esto permitió al laboratorio de Tsien diseñar variantes de la GFP y de otras proteínas fluorescentes, también aisladas de organismos marinos, que brillan con mayor intensidad y que cubren una extensa gama de colores. Su mayor contribución ha sido generar y poner a disposición de la comunidad científica un gran número de proteínas fluorescentes que emiten luz en prácticamente todos los colores del arco iris.

Si facilitar la observación de células individuales supone un gran logro, la utilización de proteínas fluorescentes ha permitido a los investigadores ir mucho más allá y les ha capacitado para analizar procesos que ocurren en el interior celular. Las reacciones químicas que sustentan la vida están reguladas por enzimas, unas proteínas que controlan cuándo y dónde en la célula tiene lugar una determinada reacción. Otras proteínas 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 comunicación entre las células que componen un órgano o la respuesta a estímulos extracelulares como neurotransmisores u hormonas. Para entender el funcionamiento de la célula es imprescindible conocer dónde se localizan las proteínas implicadas en estos procesos y cómo interaccionan entre ellas.

El problema es enorme, ya que en el interior celular coexisten centenares de miles de proteínas diferentes y su pequeño tamaño hace que la observación directa sea imposible, ni con el microscopio más potente. Con técnicas de ADN recombinante, al alcance de cualquier laboratorio bioquímico, se puede unir el gen de la GFP al gen de la proteína que se desee, de tal forma que la célula que incorpore esta construcción expresará una proteína en la que se ha añadido la GFP a su secuencia original.

La proteína marcada es ahora fácilmente distinguible, como un ciclista equipado con los reglamentarios elementos reflectantes, y mediante la simple iluminación con la luz adecuada se puede observar en el microscopio su localización o tráfico intracelular. Por otro lado, la posibilidad de etiquetar a la vez proteínas diferentes con colores distintos permite también analizar dónde, cuándo y bajo qué estímulos interaccionan. Además de la inherente simplicidad de esta tecnología, lo que la convierte en realmente revolucionaria es que, a diferencia de otros métodos que deben emplear células muertas, el marcaje con proteínas fluorescentes permite realizar estos análisis a tiempo real y en células vivas.

Cuando Shimomura inició el estudio de organismos marinos bioluminiscentes, tan sólo pretendía entender qué es lo que les hacía emitir luz. Sin embargo, sus trabajos y los que siguieron constituyen un ejemplo más de cómo la investigación básica puede conducir, a veces de forma inesperada, a una verdadera revolución científica.

Joan C. Ferrer es profesor de la Universidad de Barcelona (Departamento de Bioquímica y Biología Molecular).