Gözle görülemeyen mikrobiyolojik yapılar, süreçler ve genler floresan proteinler sayesinde izlenebilir bir hal almıştır. Mikroskop altında ışıl ışıl parlayarak adeta ben buradayım diyen bu floresan proteinler, gözlemlenmesi zor biyokimyasal reaksiyonları detaylı incelenme imkanı sunmuştur. Hatta bu ışıldayan proteinler, hücre ve organizmalarda işleyen mekanizmaların somut olarak görülmesine olanak sağladığından, hücre biyolojisi çalışmalarında adeta devrim yaratmıştır. Peki ya ışıl ışıl parlayan floresan proteinler nedir?

Canlılarda Işıldama Olayı Nasıl Gerçekleşir?

Biyolüminesans, bazı canlılarda doğal olarak gerçekleşen ışık yayılması durumudur. Bu ışık saçan organizmalar uzun süredir bilinmesine rağmen ışıldamaya neyin sebep olduğu, 1960’larda Osamu Shimomura tarafından kristal denizanası olarak bilinen Aequorea Victoria’da gözlenen biyolüminesan özelliklerinin incelenmesiyle başlamıştır. Aequorea Victoria’nın şemsiyeye benzer yapısı altında, hafif yeşil ışık yayarak parlayan bir halka bulunmaktadır. Shimomura bu parlak halkaları keserek denizanalarının ışıldayan organlarından iki proteini izole etmiştir. Bu iki proteinden biri ‘Aequorin’ olup kalsiyum (Ca+2) iyonu tarafından kontrol edilir. Yüklü kalsiyumun Aequorin’e bağlanması, proteinin üç boyutlu yapısında değişikliğe sebep olur. Böylece gerçekleşen enzimatik aktivasyon, ‘coelectrozine’ adındaki küçük bir molekülün oksitlenmesini sağlar. Gerçekleşen bu enzimatik reaksiyon zinciri sonucunda soluk mavi bir ışık yayılır. İzole edilen ikinci önemli protein olan ‘Yeşil Floresan Proteini (GFP)’ ise Aequorin ile beraber çalışır ve mavi ışığı emerek yeşil bir renk yayılmasını sağlar.

Yeşil Floresan Proteinin keşfinden sonra 1980’lerin sonunda araştırmacı Douglas Prasher, bu proteinlerin gen anlatımını ölçmek ve protein lokalizasyonlarını izlemek için kullanılabileceğini öne sürmüştür. Yaptığı çalışmalarda Yeşil Floresan Proteini kodlayan gen yapısını incelemiş ve 1992 yılında bu proteini oluşturan genin dizilimini açıklamıştır. Bu önemli gelişmenin ardından 1994 yılında Martin Chalfie, yaptığı çalışmalar ile Yeşil Floresan Proteininin verdiği ışıma reaksiyonlarının başka canlılar için de kullanılabileceğini göstermiştir.

Art arda gelen bu önemli gelişmelerle Yeşil Floresan Protein üzerindeki merak artmıştır. Bir biyokimyacı olan Roger Yonchien Tsien tarafından proteinin yapısı tanımlanmış ve farklı varyantlarının ortaya çıkarılmasına neden olan mutasyonlar keşfedilmiştir. Meydana gelen tüm bu önemli gelişmelerin sonucuda hücre biyolojisi başta olmak üzere birçok alana katkısı olan bu bilim insanları (Osamu Shimomura, Martin Chalfie ve Roger Y. Tsien) 2008 yılında Nobel Kimya Ödülü’nü almaya hak kazanmıştır.

Yeşil Floresan Proteini (GFP) Nedir?

Çeşitli şekillerde birçok farklı amaç için kullanılabilen bu Yeşil Floresan Proteininin yapısına biraz yakından göz atacak olursak, 238 aminoasitten oluşan yaklaşık 27 kDa’luk bir protein olduğunu görürüz. Yeşil Floresan Protein, görünür spektrumunun yeşil kısmında emisyon (yayılma) dalga boyuna sahip bir proteindir. Floresan, ışığı emen bir madde tarafından ışığın yayılması olayıdır. Yayılan ışık, uyarılan ışığın dalga boyundan daha uzun bir dalga boyuna sahiptir. Bu durum Yeşil Floresan Proteininde, proteinin merkezinde bulunan 3 aminoasitten oluşan ‘Serin-Trozin-Glisin’ tripeptit sekansının çeşitli reaksiyonlar geçirmesine sebep olur. Halkalı yapı oluşturma, dehidrasyon ve oksidasyon tepkimelerini içeren bu olgunlaşma reaksiyon zinciri sonucunda maddeye renk veren molekül yani kromofor oluşur. Bu basit üçlü aminoasit motifi, doğada yaygın olarak bulunsa da genellikle floresans ile sonuçlanmaz. Floresan proteine özgü olan şey, bu peptit üçlüsünün konumunun bir tüp şeklinde katlanmış, oldukça kararlı bir yapının merkezinde yer almasıdır.

Yeşil Floresan Proteininin yapısında bulunan kromoforun, oksijen haricinde hiçbir ek faktöre ihtiyaç duymadan kendiliğinden oluşabilmesi, proteinin başka canlılar içerisinde de ifade edilmesine olanak sağlamıştır. Floresan proteinler, ışıkla etiketlenmiş moleküllerin ve hücrelerin, uzayda ve zamanda izlenmesini sağlayarak görüntüyü süper çözünürlüklü hale getirirler. Gen düzenlemeleri ile kodlanmış sensörler, enzimlerin aktivitesini ve çeşitli analitlerin konsantrasyonlarını izlemeyi mümkün kılar. Bu sayede floresan proteinler çeşitli alanlarda kullanılabilmektedirler. Bu moleküllerin yaydıkları ışığın tespitinin ve ölçümünün kolay olması, diğer kimyasal belirteçlere göre toksisiteye sebep olmadan canlı hücrelerde üretimi sağlanarak fizyolojik süreçlerin incelenebilmesi ve başka proteinler ile etkileşebilmesiyle aktivasyonunun değişmemesi, kullanım alanının oldukça yayılmasına olanak sağlamıştır.

Günümüzde Yeşil Floresan Proteini (GFP) ve bunun çeşitli deniz hayvanlarından elde edilen homologları, araştırmalarda genetik olarak kodlanmış floresan etiketler şeklinde kullanılmaktadır. Pek çok laboratuvar ise çalışmalarını, yeni ve gelişmiş özelliklere sahip floresan proteinlerin tanımlanması ve geliştirilmesine odaklamıştır. Böylece canlı hücrelerde ve organizmalarda yapısal organizasyonun görselleştirilmesi için güçlü bir araç seti ortaya çıkmıştır. Yeşil Floresan Proteinin, protein mühendisliği yardımıyla mavi, camgöbeği ve sarı tonlarında çeşitli varyantları oluşturulmuştur. Sırasıyla BFP, CFP ve YFP olarak bilinen bu varyantlar, floresan proteinlerin kullanım alanını önemli ölçüde arttırmıştır.

Yapılan çalışmalarda belirteç görevi gören floresan proteinler; hücre içerisindeki gen ifadelerinin floresan yoğunluğunun ölçülmesine, önemli hedef moleküllere kaynaştırılarak hücrelerde bu hedef molekülün lokalizasyonunun görselleştirilmesine büyük ölçüde katkı sağlamaktadır. Başta protein mühendisliği ve biyosensörler olmak üzere birçok alanda önemli bir yere sahip floresan proteinler hakkında edinilen her yeni bilgi, hücre mekanizması içerisindeki bilinmeyen birçok olayın keşfedilmesine olanak sağlayabilecek niteliktedir.