2008. aasta Nobeli preemia keemias anti kolmele teadlasele, kelle avastused meduusi-uuringute vallas on andnud täiesti ettearvamatul moel tulemusi teises valdkonnas.
"Ma ei tee teadust rakenduste ega kasu pärast. Ma teen teadust selleks, et teada saada, miks meduusid helendavad," ütles Osaku Shimomura Nobeli keemiapreemia saamise puhul antud telefoniintervjuus. Ometi on Osaku Shimomurale, Martin Chalfiele ja Roger Tsienile antud Nobeli preemia just avastuste eest, mille rakendused on toonud teadusprobleemidele uusi lahendusi. Veelgi enam, nobelistide avastus on klassikaline näide sellest, kuidas ühe valdkonna avastus võib anda täiesti ettearvamatul moel tulemusi teises valdkonnas. Nobelisti lausutut tasub meeles pidada neil, kes ei märka või ei taha märgata, et teadust tehaksegi selleks, et midagi uut teada saada. Alles seejärel on võimalikud rakendused.
Miks siis ikkagi meduusid helenduvad?
Põhjuseks on roheline fluorestseeruv proteiin (inglise keeles green fluorescent protein, GFP). Kuigi looduses võib leida mitmeid elukaid, kes helenduvad, on GFP-ga varustatute eeliseks see, et nad ei vaja keemilist lisaenergiat - teatud aine või kindlate ioonide leidumist keskkonnas. GFP on eksisteerinud meie Maal rohkem kui 160 miljonit aastat meduusis, kelle ladinakeelne nimi on Aequorea victoria. Seda meie randade millimallika sugulast võib tänapäeval kohata Põhja-Ameerika läänerannikul.
Osamu Shimomura oli esimene, kes isoleeris GFP ning tegi kindlaks, milline valgu osa vastutab selle fluorestseeruvate omaduste eest. Oma tööd alustas Shimomura Nagoya ülikoolis professor Yashimimasa Hirata assistendina. Professor andis assistendile pealtnäha võimatu teema - mis sunnib molluskit Cypridina helenduma. Võimatuna tundus see projekt ainuüksi seepärast, et juhtivad USA teadlased olid edutult proovinud helenduvat materjali eraldada. Professor Hirata polnud kindel, et Shimomural õnnestub lahendus leida. Aga vastupidiselt kõigile ootustele oli 1956. aastal Shimomural helenduv aine olemas. Uurimistulemus avaldati ja Shimomura pälvis doktorikraadi ning suundus tööle Princetoni ülikooli Frank Johnsoni mainekasse laborisse. Seal hakkas Shimomura tegelema helenduva meduusiga Aequorea victoria, kelle meduusitaldriku välisserv helendab, kui seda erutada.
Kogu 1961. aasta suve korjas Shimomura koos Johnsoniga Põhja-Ameerika läänerannikult meduuse, saades kokku umbes 10 000 isendit. Ülikooli laboris õnnestus suurest hulgast materjalist välja puhastada ainult mõni milligramm sinist luminestseeruvat materjali. 1962. aastal avaldatud töös kirjeldasid Shimomura ja Johnson aequoriini ja mainisid ka neil isoleerida õnnestunud uutvalku, mis on päikesevalguses kergelt rohekas, hõõglambi valguses kollakas ning ultraviolettvalguses helendub hoopis roheliselt. Meduusis leiduv proteiin aequoriin eraldab seondumisel kaltsiumiga sinist valgust, see sinine valgus absorbeerib täielikult GFP, mis omakorda kiirgab väiksema energiaga rohelist valgust. Seetõttu säravad meduus ja aequoriin erinevate värvustega.
Helendama pandi Caenorhabtitis elegans
Loomulikult ei tegutsenud Shimomura nii huvitaval alal üksi. 1988. aastal, just siis kui Douglas Prasher oli alustanud meduusi GFP kloonimist, kuulis teine tänavune nobelist Martin Chalfie helenduvast valgust esimest korda, kui ta külastas Columbia ülikooli seminari bioluminestseeruvatest organismidest. Seal esinenud lektor Paul Brehm mainis möödaminnes ka GFP-d ja selle valgu omadust helenduda. Chalfie hakkas ette kujutama, kuidas saaks seda valku kasutada oma uurimistöös. Martin Chalfie kasutas närvirakkude funktsiooni ja arengu alases uurimistöös imepisikest läbipaistvat nematoodi Caenorhabtitis elegans. See nematood on üks lihtsama ehitusega organisme, tal on vaid 959 rakku, mille mustri on teadlased täies mahus kaardistatud. Kuna Caenorhabtitis elegans on läbipaistvuse tõttu mikroskoobi all kergesti vaadeldav ja tema rakkude paiknemine ning nende päritolu on teada, siis on ta üks teadlaste lemmikorganisme. Chalfie lootis GFP ühendada mõne nematoodi geeniga, mis hakkaksid helenduma siis, kui vastav geen aktiveeritakse. Saanud GFP klooni Douglas Prasherilt, õnnestus Martin Chalfiel panna puudutades helendama nematoodi kompimismeele rakud. Koos kaasautoritega avaldas Chalfie oma töö tulemused 1994. aastal ajakirjas Science.
Punane läbimurre
Samal ajal kui Shinomura, Prasher ja Chalfie tegelesid sellega, et saada kätte GFP-d meduusist ning näidata, et seda valku on võimalik kasutada markerina, tahtis kolmas nobelist Roger Tsien teada, kuidas GFP töötab. Ta oli hõivatud uute tehnikate ja GFP mutantide väljatöötamisega. Tema töörühm valmistas mutante, mis alustasid fluorestseerumist varem kui loodusest pärit GFP, särasid heledamalt ja helendasid erineva värvusega. Üks värv, mida Tsien produtseerida ei suutnud, oli punane. Punane valgus läbib bioloogilist kude kergemini, mistõttu oleks see olnud eriti oluline teadlastele, kes soovivad uurida rakke ja elundeid organismi sees. Läbimurre toimus, kui Sergei Lukianov leidis mõned GFP-le sarnanevad molekulid korallist. Keegi polnud varem taibanud otsida sellised molekule korallidest, kuna korallid ei helendu. Lukianov avastas ka punase fluorestseeruva valgu (DsRed). Erinevalt Shimomurast, kes käis igal aastal ekspeditsioonil, et korjata meduuse, oli Lukianovil võimalik saada materjali Moskvast kohalikust akvaariumipoest. Tema avastuse tulemusena on leitud palju uusi GFP-sarnaseid valke mittebioluminestseeruvatest ning mõnikord koguni mittefluorestseeruvatest organismidest. Kahjuks lubavad Nobeli preemia põhimõtted anda preemia välja korraga vaid kolmele isikule ning Lukianovil ei olnud seekord õnne. See ei tähenda, et tema töö olnuks teaduse seisukohalt vähem oluline.
Tegi nähtamatu nähtavaks
1994. aastal õnnestus GFP kloonida, selle tulemusena on võimalik GFP-d sünteesiv DNA molekul paigutada teadlast huvitava funktsionaalset valku kodeeriva geeni külge ning jälgida selle valgu ekspressiooni ning vajadusel ka seda valku sisaldava raku liikumist. Praeguseks on võimalik nimetatud valku leida laboritest üle maailma, seda kasutatakse igal võimalikul moel ja paljudes eri organismides bioloogiliste protsesside markeerijana. See võimaldab keerukaid bioloogilisi võrgustikke märgistada väga erinevate värvidega, tehes nähtavaks paljud protsessid rakkudes, mis olid varem inimsilmale nähtamatud. See on suur hüpe teaduses.
GFP roheliselt pimestav värv sinises ultravioletses valguses võimaldab näha kasvavaid vähirakke, näidata Altzheimeri haiguse kulgu ajus või patogeensete bakterite kasvu. Veelgi enam, fluorestseeruva valgu kasutamine on jõudnud kaugemale teadusest. Nii saab jälgida helendavat looma kui kunstiteost. Juba mitmeid aastad tagasi esitles Brasiilia päritolu Chicago kunstnik Eduardo Kac helenduvat küülikut. Valge küülik Alba oli saanud geenimanipulatsioonide abil rohelise kuma. Näiteks Jörg Wiedenmann koos kaastöölistega Ulmi ülikoolist uuris korallide GFP-sarnast valku. Valk, mida nad nimetasid EosFP, muutub ultraviolettvalguses rohelisest punaseks. Viimast omadust demonstreeriti kunstinäitusel "125 aastat Albert Eisnsteini", kus Einsteini fotot kasutati EosFP-ga modifitseeritud pildiseerias. Ka varem on olnud võimalik rakke visualiseerida neid värvides. Levinumaks markeriks on olnud bakteri Escherichia coli β-galaktosidaasi geeni produkt lacZ. Kuid GFP võimaldab kõike seda teha üksikutes elusates rakkudes või koguni kogu organismi miljardites rakkudes korraga.
Mõned aastad tagasi teatasid Taiwani teadlased, et nad on loonud sea, mis helendub pimedas. Transgeensed helenduvad sead saadi meetodiga, kus kaheksale seale siirdati kokku 265 meduusi rohelist fluorestseeruvat valku ekspresseerivat embrüot. Neli emist jäi tiineks ning nad sünnitasid kolm helendavat siga. Helenduvaid transgeenseid sigu on võimalik kasutada inimese geneetiliste haiguste uurimisel. Kuna sea geneetilist materjali, mis helenduvat valku kodeerib, on lihtne märgata, siis piisab vaid sellest, kui pimeduses sinine valgus sigadele suunata - siis säravad nad kui jaaniussikesed. Kui näiteks süstida roheliste sigade tüvirakke teistesse loomadesse, on võimalik jälgida nende arengut ilma biopsia või kirurgilise sekkumiseta. Missouri ülikooli biotehnoloogia professor Randy Prather on üks teadlastest, kes kasutab GFP-d ja selle kollast helendust andvat mutanti YPP-d markerina, et näidata, et võõraid geene on võimalik ekspresseerida transgeensetes sigades. Ta tõestab, et on võimalik toota transgeenseid kloone ksenotransplantatsiooni tarvis, mis on üheks etapiks teel loomade organite kasutamisel inimorganismis.
Karel Svoboda tegeleb tänu GFP-le Cold Spring Harboris millegagi, mida keegi varem pole teinud. Nimelt jälgib ta, kuidas hiired mõtlevad. Ta ei vaatle hiiri labürindis seiklemas ega jälgi hiirte segaduses näoilmet, vaid kasutab transgeenseid hiiri, kelle ajukoore mõningates neuronites ekspresseerub GFP, mida on võimalik jälgida kolba sisse tehtud akna kaudu. Kuna hiired võivad sellise aknaga elada kogu oma elu, on teadlastel võimalik jälgida pika aja vältel aju reaktsioone sensoorsele informatsioonile, mis saadakse hiire vurrudest.
Osaku Shimomura töö oli läbimurre. Ise on ta öelnud, et noored peavad uurima mis iganes tahku oma teadusteemas, senikaua kuni see teema neid tõeliselt huvitab. Ei tohi alla anda enne, kui teema on ennast ammendanud. Iga kord pole aga see lihtne. Näiteks Douglas Prasher, kelle avastuse alusel said Tsien ja Chalfie Nobeli preemia, ei saanud ühel hetkel teadusrahastamist ning ta loobus teadusest ja töötab Alabama osariigis Huntsville'is bussijuhina. Meenutagem, et ka eelmise aasta nobelistidel oli raskusi oma ideede rahastamisel, kuid nad jätkasid kõige kiuste. Maailm ei ole õiglane. Douglas Prasher on öelnud, et kui Tsien ja Chalfie tema kodulinna sattuvad, on nad talle vähemalt ühe lõuna võlgu.
ALAR KARIS (1958) on molekulaargeneetik. Lõpetanud 1981 Eesti Maaülikooli ja kaitsnud 1987 veterinaariateaduste kandidaadi kraadi. Teadustegevuse põhisuunad: arengubioloogia, molekulaargeneetika ja transgeenne tehnoloogia. Alar Karise juhendamisel on kaitstud 4 teadusmagistri kraadi, 2 filosoofiadoktori väitekirja. Töötanud Tartus, Rotterdamis, Londonis, Hamburgis. Aastail 2003-2007 Eesti Maaülikooli rektor, 2007. aastast Tartu Ülikooli rektor.
