En el verano de 1961, Osamu Shimomura, un biólogo marino y químico, se encontraba en un pequeño bote en medio del Puget Sound, rodeado por miles de medusas luminosas. Mientras reflexionaba sobre sus intentos fallidos de aislar la molécula responsable de la bioluminiscencia, el luciferina, tuvo una idea que cambiaría el rumbo de la biología para siempre. ¿Y si el luciferina no era la fuente del brillo en estas criaturas? Esta insinuación lo llevó al descubrimiento de la proteína verde fluorescente (GFP, por sus siglas en inglés), un hallazgo inicialmente subestimado que años después revolucionaría la medicina y la biología molecular, incluso le valió a Shimomura la mitad del Premio Nobel de Química en 2008. La medusa Aequorea victoria, protagonista de esta historia, brilla con una luz verde gracias a un fenómeno combinado de bioluminiscencia y fluorescencia. Mientras la bioluminiscencia involucra una reacción química que emite luz, la fluorescencia es la emisión de luz por una sustancia que ha absorbido luz o radiación.
GFP, una proteína codificada por un único gen, actúa como una linterna incorporada que permite a los investigadores rastrear movimientos de proteínas, monitorear expresión génica y observar procesos celulares en tiempo real usando técnicas de microscopía de fluorescencia. La utilidad de GFP se evidenció rápidamente. En 1999, científicos utilizaron esta proteína para rastrear la progresión del cáncer en ratones vivos, visualizando tumores y su metástasis de manera no invasiva. Poco después, en 2000, equipos de investigadores lograron integrar GFP en circuitos biológicos sintéticos, marcando el nacimiento de una rama innovadora conocida como biología sintética. Hoy es común que los neurocientíficos empleen versiones modificadas de GFP para visualizar la actividad cerebral, siendo capaces de detectar la activación y comunicación neuronal a través de cambios en la fluorescencia.
Más que un simple descubrimiento, el camino de GFP a símbolo de la biología moderna fue trazado por la colaboración de cuatro figuras clave. Osamu Shimomura, quien pasó de la devastación de la Segunda Guerra Mundial en Nagasaki a un laboratorio en Princeton, fue quien inicialmente aisló la proteína. Luego Douglas Prasher, en la Institución Oceanográfica Woods Hole, fue el primer científico en clonar y secuenciar el gen que codifica la GFP. Martin Chalfie, un neurobiólogo, fue pionero en demostrar que GFP podía emplearse como marcador genético eficaz en organismos vivos. Finalmente Roger Tsien, neurobiólogo y químico, amplió las aplicaciones de GFP al crear una paleta de proteínas fluorescentes de distintos colores, lo cual permitió el seguimiento simultáneo de varias proteínas en una misma célula.
Osamu Shimomura nació en Japón en 1928, en un país marcado por conflictos bélicos y posteriormente por la devastación causada por la bomba atómica en Nagasaki. Sobrevivió a la explosión y sus consecuencias, circunstancias que moldearon su posterior carrera científica. Tras años de estudio y trabajo dedicados a la bioluminiscencia, logró uno de sus primeros éxitos al cristalizar el luciferina del crustáceo marino Cypridina, un proceso que había eludido a científicos durante dos décadas. Su trabajo abrió las puertas para el estudio detallado de otros organismos bioluminiscentes, incluidas las medusas Aequorea victoria. La investigación con medusas fue ardua.
La especie Aequorea tiene un anillo luminoso en su periferia que emite una resplandeciente luz verde cuando es estimulada. Shimomura y su equipo recogían medusas diariamente, extrayendo y purificando la sustancia luminiscente. Durante estas investigaciones, descubrió que la luz verde provenía de la fluorescencia de una proteína diferente, la GFP, que absorbía la luz azul bioluminiscente producida por otra proteína llamada aequorin. Encontró que la señal luminosa dependía de la presencia de iones de calcio, y acuñó el término aequorina para esta proteína emisora de luz azul. El descubrimiento fue fortuito e inesperado.
Mientras esperaba respuestas sobre la luciferina, Shimomura observó que el fluido residual brillaba intensamente cuando caía en el agua de mar, lo que lo llevó a identificar la relación con los iones de calcio. Más adelante, conjuntamente con otros avances, desmontó la idea original sobre el sistema de bioluminiscencia en la medusa y estableció el papel singular de GFP en la fluorescencia. A pesar de su singularidad estructural y funcionalidad, en aquel momento la GFP permaneció como un hallazgo sin aplicaciones inmediatas. La mayoría de los científicos preferían usar tintes fluorescentes sintéticos, más fáciles de fabricar. Sin embargo, esto cambiaría dramáticamente con décadas de desarrollo posterior.
Durante casi veinte años, la familia Shimomura realizó incursiones anuales a Friday Harbor para recolectar cientos de miles de medusas, necesarias para obtener cantidades suficientes de estas proteínas bioluminiscentes, tarea que se volvió la base para futuras investigaciones. El siguiente capítulo en la historia de la GFP fue marcado por Douglas Prasher, quien cambió por completo el enfoque. Creyendo que el gen que codifica GFP podría insertarse en cualquier organismo, imaginó que la proteína podría actuar como un marcador genético universal para visualizar genes y proteínas en células vivas. Esta idea fue revolucionaria para la época y desafió las creencias que Greenpeace necesitaba otros factores para funcionar fuera del ambiente de la medusa. Prasher utilizó técnicas de biología molecular para construir una biblioteca genética a partir del ARN mensajero de la medusa y localizar el gen responsable de la GFP.
Gracias al conocimiento que había obtenido Shimomura sobre la secuencia parcial de aminoácidos, diseñó sondas de ADN para identificar y aislar el gen de GFP, logrando finalmente su clonación y secuenciación. A pesar del éxito científico, Prasher enfrentó dificultades prácticas y financieras para continuar con sus estudios, lo que estuvo a punto de apagar su trabajo con GFP. Sin embargo, sus hallazgos inspiraron a Martin Chalfie y Roger Tsien, quienes lo contactaron para obtener muestras del gen. Chalfie fue el primero en demostrar la expresión funcional de la GFP en bacterias y nematodos vivos, logrando que estos organismos emitieran luz verde observable, lo que confirmó definitivamente la utilidad práctica de la proteína. Roger Tsien, con un enfoque más químico y neurobiológico, tomó este legado y lo potenció.
Con el objetivo de mejorar la utilidad de GFP para investigación, creó mutantes de la proteína que emitían diferentes colores fluorescentes. Esta innovación permitió el seguimiento simultáneo de múltiples procesos biológicos usando diferentes colores, una herramienta invaluable para la biología celular y molecular. Además, Tsien logró modificar el GFP para mejorar su brillo y estabilidad, especialmente con la mutación S65T, que eliminó problemas asociados con la absorción de luz ultravioleta y mejoró la señal bajo luz azul estándar. Su trabajo sentó las bases para la amplia gama de proteínas fluorescentes usadas actualmente, incluyendo variantes en azul, cian, amarillo y otras, así como derivados de proteínas fluorescentes de corales rojos, ampliando el espectro de colores disponibles para la biología molecular. Hoy, la GFP y sus derivados son herramientas indispensables en la investigación biomédica.
Su uso ha avanzado desde el simple etiquetado de células hasta aplicaciones complejas en neurociencia, oncología e inmunología. En estudios sobre el cáncer, por ejemplo, la GFP se emplea para rastrear la propagación y el comportamiento de las células tumorales en modelos animales vivos. En neurociencia, permite monitorizar la actividad de miles de neuronas simultáneamente, facilitando la comprensión de circuitos cerebrales completos. Investigaciones sobre enfermedades infecciosas y desarrollo de vacunas también se benefician del seguimiento de virus marcados con GFP. La historia de la proteína verde fluorescente es un ejemplo notable de cómo la curiosidad científica, combinada con perseverancia y colaboración internacional, puede abrir horizontes inesperados en la ciencia.
Desde la medusa Aequorea victoria, que ha habitado los océanos durante más de 150 millones de años, hasta su papel en los laboratorios más avanzados del mundo, la GFP continúa iluminando el camino hacia descubrimientos fundamentales sobre la vida misma.
