Wat laat een kwal gloeien? Wetenschappers die deze eenvoudige vraag stelden, ontdekten een krachtig nieuw instrument dat de geneeskunde volledig heeft veranderd en waarvoor ze de Nobelprijs kregen! In 2007 zagen onderzoekers van UC San Diego borstkankercellen in realtime migreren. In 2009 hebben wetenschappers van UC Davis en Mount Sinai School of Medicine video-opnamen gemaakt van HIV dat zich verspreidt tussen immuuncellen. Biologische processen die ooit voor ons verborgen waren, kunnen nu worden verlicht als een vuurvliegje, en het is allemaal mogelijk dankzij een experiment dat in de gootsteen werd gegooid.

In 1960 probeerde Osamu Shimomura geen revolutie in de wetenschap teweeg te brengen – als hij dat wel had geprobeerd, was hij misschien niet begonnen met het bestuderen van kwallen. Shimomura was een jonge onderzoeker met een eenvoudige vraag: Waardoor gloeit de kristallen kwal, Aequorea Victoria, heldergroen als ze wordt opgewonden?

Zijn pogingen om een lichtgevend luciferase enzym uit de kwal te isoleren, werkten slechts gedeeltelijk. Na diverse aanpassingen in het lab kon hij slechts een zwak schijnsel produceren uit geïsoleerde monsters van de kwal, dus gooide hij de monsters in een gootsteen om op te ruimen voor de dag. Toen de vloeistof de gootsteen raakte, was er een plotselinge felblauwe flits.

Shimomura ontdekte al snel dat het niet de gootsteen zelf was, maar zeewater – met name het calcium in het zeewater – dat reageerde met de monsters van de kristallen kwal om de blauwe flits te creëren. Maar er was nog een mysterie: Kristallen geleien gloeien groen, niet blauw.

Shimomura veronderstelde dat er een extra verbinding in de kwal zat die het blauwe licht absorbeerde en vervolgens groen licht uitstraalde. Deze verbinding bleek een uniek eiwit te zijn dat Shimomura de naam Green Fluorescent Protein, kortweg “GFP”, gaf.

Een flits van schittering

In het midden van de jaren tachtig werkte Martin Chalfie van de Columbia-universiteit met de transparante rondworm C. elegans en probeerde te bestuderen waar bepaalde genen in de worm tot expressie kwamen.

In die tijd werd het vinden van genen in het DNA van een organisme veel gemakkelijker, maar uitzoeken waar het gen verantwoordelijk voor was, en waar het tot expressie kwam, was een hele uitdaging.

Na het bijwonen van een lezing waarin toevallig GFP ter sprake kwam, had Chalfie een moment van inspiratie: Omdat GFP een eiwit is, kon hij de DNA-sequentie die codeert voor GFP in het DNA van de rondwormen inbrengen, en ze het gloeiende eiwit laten uitdrukken samen met elk gen dat hij bestudeerde. De gloed zou dienen als een marker om te laten zien waar de genen tot expressie werden gebracht. Plotseling werden onzichtbare processen zichtbaar gemaakt, waardoor een nieuwe wereld van biologisch en medisch onderzoek openging.

Alle kleuren van de hersenboog

Hoewel GFP de deur opende, had het beperkingen. Het vervaagde te snel voor sommige onderzoeken, en het was er maar in één kleur. Roger Tsien, biochemicus aan de UC San Diego, ontwikkelde op basis van GFP nieuwe varianten die helderder waren en oplichtten in een reeks verschillende kleuren, die Tsien grillige namen gaf, zoals “Monomere banaan” en “Tandem dimeer tomaat.”

Met een reeks kleuren GFP konden onderzoekers meerdere processen tegelijk observeren, met een grotere precisie dan ooit tevoren. Onderzoekers van Harvard gebruikten de veelkleurige benadering om individuele neuronen van muizenhersenen in kaart te brengen, waardoor een iconisch beeld ontstond dat bekend staat als de “hersenboog.”

In 2008 deelden Shimomura, Chalfie en Tsien de Nobelprijs voor de ontdekking en ontwikkeling van GFP. In een tijdperk dat wordt gekenmerkt door een toenemende focus op toegepast onderzoek, is het de moeite waard eraan te herinneren dat een wetenschappelijke revolutie begon met fundamenteel onderzoek, geagiteerde kwallen en een experiment dat in de gootsteen werd gegooid.