کروموپروتئین ها: پروتئین های رنگارنگ برای آزمایشات زیست شناسی مولکولی

اقیانوس پر است از تصاویر جالب توجه از چتر دریایی فلورسنت، فیتوپلانکتون بیولومینسانس و مرجان های رنگارنگ. آنچه در پشت این مناظر قرار دارد ، فراوانی مولکول های بیولوژیکی مانند کروموپروتئین ها، پروتئین های فلورسنت و پروتئین های لومینسانس است. در حالی که از مدت ها قبل در تحقیقات بیولوژیکی به طور گسترده ای از پروتئین های فلورسنت و لومینسانس استفاده شده است ، کروموپروتئین ها اکنون برای طیف وسیعی از تحقیقات بیولوژیکی در حال تولید هستند.

کروموپروتئین چیست و چه تفاوتی با پروتئین های فلورسنت دارد؟

قبل از پرداختن به تفاوت بین کروموپروتئینها و پروتئین های فلورسنت، لازم به ذکر است که کروموپروتئین ها علی رغم تمایز آنها با نام، در واقع زیر مجموعه ای از خانواده پروتئین های فلورسنت هستند. آنچه آنها را از هم متمایز می کند نحوه تولید رنگ آنهاست: آنها نور مرئی را به شدت جذب می کنند تا در نور محیط رنگ ایجاد کنند. در مقابل ، پروتئین فلورسنت سبز (GFP) که به طور گسترده ای استفاده می شود، هنگام قرار گرفتن در معرض نور آبی و ماورا بنفش، فلورسانس سبز نشر می دهد، در حالی که کروموپروتئین ها به هیچ وجه فلورس نمی شوند و یا در سطوح بسیار پایین فلورس می شوند.

پروتئین های رنگارنگ در طبیعت

در مقایسه با تاریخچه پروتئین های فلورسنت در تحقیقات زیست شناسی مولکولی ، کروموپروتئین ها سابقه کوتاه تری دارند. در سال ۱۹۸۷ ، دانشمندان یک پروتئین غیرمعمول به رنگ آبی را از چتر دریایی Cassiopea xamachana یافتند. هشت سال بعد ، دانشمندان کروموپروتئین های صورتی، بنفش و آبی جدا شده از مرجان های صخره ای را جدا کردند. در اوایل سال ۲۰۰۰ ، تعداد انگشت شماری از کروموپروتئین ها در شقایق دریایی شناسایی شدند.

چرا این موجودات دارای کروموپروتئین هستند؟

یک دلیل ممکن است این باشد که کروموپروتئین ها با انعکاس نور مرئی و مادون قرمز از مرجان ها در برابر تابش خورشید محافظت می کنند تا انرژی اضافی را در طول موج های فعالیت فتوسنتزی کم از بین ببرند که اجازه می دهد تا طول موج های فعال از نظر فتوسنتزی به zooxanthellae ، dinoflagellates همزیست مرجان که فتوسنتزی است برسند. این پروتئین ها همچنین مقاومت مرجان ها در برابر سفید شدن جرم، از دست دادن جلبک های همزیست آنها را در هنگام تنش گرما افزایش می دهند. برای سایر موجودات، مانند شقایق دریایی ، دانشمندان تصور می کنند که می توان از کروموپروتئین ها برای تقلید و استتار استفاده کرد. شاخک های قرمز رنگ شقایق شبیه کرم هایی است که ماهی را برای شکار آنها جذب می کنند (شکل زیر).

مزایای استفاده از کروموپروتئین ها برای زیست شناسی مولکولی

از آنجا که کروموپروتئینها نور مرئی را جذب می کنند و در نور محیط رنگ می دهند، توانایی تشخیص بدون ابزار را به دانشمندان می دهد. برخلاف فلورسانس یا لومینسانس، که به لامپهای ماورا بنفش، فلورومتر یا لومینومتر نیاز دارد، تشخیص کروموپروتئین با چشم غیر مسلح انجام می شود. این کار شبیه سازی را کمی راحت تر می کند زیرا شما می توانید ببینید که آیا آزمایش شبیه سازی شما فقط با مشاهده سلول های صفحه کار کرده است یا خیر. به عنوان مثال، اگر پلاسمید شما حاوی ژنی است که کروموپروتئین آبی را رمزگذاری می کند، پس از تبدیل آنها به سلولهای خود، می توانید به سادگی به دنبال کلنی های آبی باشید تا مشخص کند کدام سلول ها پلاسمید را گرفته اند. البته سایر روشهای پیگیری مانند تعیین توالی مشخص تر هستند، اما شناسایی بصری مکان خوبی برای شروع قبل از استفاده از روشهای زمانبرتر و پرهزینه است. در حالی که تکنیک هایی مانند غربالگری سفید-آبی به X-gal ، یک سوبسترا گران قیمت اضافه شده از بیرون احتیاج دارند، کروموپروتئین ها برای غربالگری به سایر سوبستراها نیاز ندارند.
بنابراین کروموپروتئینها می توانند به عنوان نشانگر در مواردی که هزینه و منابع محدود هستند و یا برای کاربردهای زیستی و آموزشی استفاده شوند.

برای آزمایش خود یک کروموپروتئین پیدا کنید!

کروموپروتئین های یوکاریوتی برای زیست شناسی مصنوعی باکتریایی
از آنجا که کروموپروتئینهای رایج مورد استفاده در آزمایشگاه از یوکاریوتها تهیه می شوند، استفاده مستقیم از آنها در باکتریها، جایی که بیشتر دستکاریهای ژنتیکی در آنها آغاز می شود، دشوار است. آزمایشگاه آنتونی فورستر با استفاده از برنامه های بهینه سازی کدون ، ۱۴ توالی کروموپروتئین را در پلاسمیدهای E. coli BioBrick مهندسی کرد.

برای هر کروموپروتئین، آزمایشگاه شدت رنگ، زمان بلوغ و تناسب هزینه بیان را تعیین کرد. آنها دریافتند که هزینه تناسب اندام سلولی بین کروموپروتئین ها بسیار متفاوت است. در بعضی موارد، سلولهای حاوی کروموپروتئینهای منتقل شده از پلاسمید که یک کپی بالا هستند ، یک شب در کشت مایع رنگ خود را از دست دادند، اگرچه بیان کروموپروتئین ها از کروموزوم می تواند این مشکل را برطرف کند. هنوز یک پلاسمید کروموپروتئین “ایده آل” وجود ندارد که مطلوب ترین ویژگی ها را ترکیب کند: رنگ شدید، بلوغ سریع و تناسب هزینه پایین. با این حال، بسیاری از پروتئین های فلورسنت با محدودیت های مشابهی روبرو هستند و بسیاری از آزمایشگاه ها از این کروموپروتئین ها برای اهداف خاص استفاده می کنند.