Millimallika sugulane aitab kaardistada loomade ajusid

Ühest meduusist leitud roheliselt helenduv valk abistab teadlasi aju-uuringutel ning aitab leida joogiveest mürke. Uudishimust alguse saanud uuringud andsid tulemused, mis abistavad nüüd tuhandeid molekulaarbiolooge.

Vahel suve lõpul muutub mõni Eesti mererand justkui süldisupiks. Lained kannavad ringi peaaegu läbipaistvaid meduuse, mida rahvas kenasti millimallikateks kutsub. Meie meririst ehk millimallikas ei ole muus osas kuigi kuulus. Kuid selle ainuõõsse hüdralooma sugulane, kes elab Põhja-Ameerika läänerannikul, on viimase poole sajandiga muutunud üheks tõeliseks teaduse kangelasloomaks. Kümmekonna sentimeetrise läbimõõduga võiduka nimega meduus Aequorea victoria tõi võidu tänavustele Nobeli keemiapreemia laureaatidele. Õigemini võidu tõi üks salapärane valk, mis selle meduusitaldriku ääre helendama paneb.

Looduses elab palju olendeid, kelle keha helendab, kuna keemi­line energia muundub valgus­­energiaks. Tavaliselt on asjasse segatud organismi energia­molekul adenosiintrifosfaat ATF. Kuid meie kangelasega on asi veidi teisiti. Tema paneb helendama üks valk, mis ei vaja keemilist lisaenergiat.

Rohelise valguse elu

Selle valgu avastamislugu algas pärast Teist maailmasõda Jaapanis, kui Nagoya ülikooli professor andis 1955. aastal oma assistendile Osamu Shimomurale nii raske ülesande, millist ta ühelegi oma doktorandile andnud ei oleks. Shimomura oli pärast Nagasaki aatomipommiplahvatust jäänud ajutiselt pimedaks ega suutnud jätkata oma haridusteed, nii et doktorikraadi poleks ta saanud niikuinii. 

Tal paluti välja uurida, miks Cypridina nimeline karpvähiline helendama hakkab, kui ta  purustada ja seejärel veega üle piserdada. Ameerika teadlased olid pikka aega püüdnud helenduvat materjali eraldada, ent ei suutnud. Vastupidiselt juhendaja ootusele sai Shimomura järgmisel aastal ülesandega hakkama. Helendujaks osutus valk, mis sai endale lutsiferiini nime ja see leid tõi Shimomurale ka doktorikraadi ning töökutse USA Princetoni ülikooli. 

Seal asus Shimomura uurima, miks meduus helendub. Kui ta ühel heal päeval meduusi purustatud ääred valamusse kallas, sähvatas sealt vastu helesinine helendus. Selgus, et valamus oli ka merevesi ja selles sisalduvad kaltsiumiioonid keemilise reaktsiooni vallandasidki.

Nad nimetasid selle siniselt helendava valgu meduusi nime järgi aequoriiniks. Kuid see valk helendas siniselt, mitte roheliselt nagu meduusitaldriku serv. Edasise tööga õnnestus eraldada ka meduusi roheliselt helendama panev valk, mis päikesevalguses helendus rohekalt, hõõglambi valguses kollakalt ja ultraviolettvalguses roheliselt. See oli esimene kord, kui kirjeldati rohelist fluorestseerivat valku, mida tuntakse ingliskeelse lühendi GFP all (green fluorescent protein).

1970. aastatel selgitas tänavu Nobeli keemiapreemia saanud Shimomura välja, et GFP sisaldab erilist keemilist rühma, mis neelab ja kiirgab valgust. See neelab ultravioletset kiirgust, ergastub ja seejärel vabaneb saadud energiast, kiirates väiksema energiaga rohelist valgust. Meduusis muundab GFP lihtsalt sinise valguse roheliseks ja just seepärast helendavad meduus ja aequeriin erineva värvusega.

Mis teeb aga GFP eriliseks, on, et see ei vaja helendumiseks mingeid lisandeid – erinevalt bioluminestseeruvatest valkudest, mis nõuavad pidevalt energiarikaste molekulide juurdevoolu. See valk on kui asi iseeneses. Kui GFP juhtub olema lahuses, siis valgusta vaid lahust UV-kiirtega ja see annab vastu rohelist tuld.

See ongi konks, mis järgnevatel aastakümnetel sadu ja sadu biokeemikuid enda külge haakis. Kui saaks GFP siduda näiteks mõne rakus leiduva huvitava molekuli külge, siis rakke valgustades saaks teada, kus see molekul asub ja kus mitte – GFP roheline silm annab asjast kohe teada.

Vikerkaarevärvilised ajud

Sellele ideele tuli teine tänavune Nobeli keemiapreemia laureaat Martin Chalfie, kes kuulis GFP omadustest 1988. aastal. Chalfie uuris millimeetripikkust varb­ussi elegantse nimega Chaenorhabditis elegans, kes ka on üks eluuurijate kangelasi. Selle ussikese geenidest on kolmandik samalaadsed nagu inimesel. Kuigi ussike koosneb vaid 959 rakust, on tal aju ning lisaks kõigele on ta täiesti läbipaistev, nii et teda saab hõlpsalt mikroskoobis vaadelda. Chalfie aimas, et GFP on suurepärane vahend varbussi kaardistamiseks.

Selleks pole vaja muud, kui ühendada GFP tootmist suunav geen mõne teise, varbussi rakus toodetava valgu geeniga. Ja – hopsti! – niipea, kui seda valku tootev geen aktiveeritakse, annab GFP sellest teada oma rohelise tulukese abil.

Kuid selleks oli vaja GFP tootmist juhtiv geen meduusi genoomist üles leida. Sellega sai hakkama Douglas Prasher Massachusettsi Woods Hole’i okeanograafia instituudist. Nii sai võimalikuks GFP geeni kloonida ja sisestanud selle kolibakterisse, õpetada bakterit GFP valku valmistama – nii palju, kui vaja läheb.

1994. aastal avaldasid Chalfie ja tema kolleegid ajakirjas Science artikli, milles teatasid, et neil õnnestus GFP abil panna helenduma varbussi närvirakud, mis reageerivad puudutusele ehk siis kompimismeele rakud.

Olen ise mikroskoobis vaadelnud varbussi, kelle erinevad ajurakud on GFP abil nähtavaks tehtud. See on tõeliselt lummav vaatepilt – sinu ees avaneks justkui tähistaevas oma roheliste tähtedega. Ja see taevas on seejuures veel elus.

Kuid ühestainsast värvusest on vähe, kui tahta erinevaid rakke korraga vaadelda. Seepärast asuti otsima, kas ei ole võimalik leida valke, mis helendaksid mitte ainult roheliselt. Tänavune kolmas Nobeli keemiapreemia laureaat Roger Tsien saigi sellega hakkama. Nüüdseks on olemas terve GFP-sarnaste valkude värviline vikerkaar. Nende abil on näiteks uuritud hiire aju.