От чего зависит окраска трансгенных (Гло-фиш) аквариумных рыб?

"Натура тем паче всего удивительна, что в простоте своей многохитростна, и от малого числа причин произносит неисчислимые образы свойств, перемен и явлений"
М. Ломоносов

Чем освещать аквариум со "светящимися" трансгенными (Гло-фиш) рыбами?

    "Только представьте, вы приходите домой после трудного рабочего дня, выключаете свет и любуетесь ярко светящимися в темноте рыбками. Это отлично расслабляет!" Примерно так расхваливали свой новый товар – светящихся трансгенных (Гло-фиш) аквариумных рыб – менеджеры Тайконг корп., когда он впервые появился на рынке. Однако, флуоресцирующие Гло-фиш рыбки самопроизвольно не светятся. Для того, чтобы наблюдать свечение аккумулированных в их мышечной ткани особых белков (gfp и/или rfp), их необходимо освещать синим, а еще лучше ультрафиолетовым светом (Black light). В полной темноте без ультрафиолетового облучения ничего видно не будет. 

    Флуоресценцию этих рыб не надо путать с биолюминесценцией, которую демонстрируют многие глубоководные морские организмы и светлячки. При биолюминесценции эмиссия света происходит в результате химической реакции окисления особого вещества – люциферина специальным ферментом – люциферазой. Этот процесс не требует какой-либо специальной досветки. Совсем иначе обстоит дело с трансгенными аквариумными рыбами: поскольку флуоресцентные белки в их теле излучают свет только под воздействием внешнего светового потока, постольку окраска этих рыб непосредственно связана со способом освещения аквариума. И тут многое начинает зависеть не только от того, как много флуоресцентного белка имеется в мышцах, но и от количества, функционального состояния и качественного состава пигментных клеток (хроматофоров), расположенных в коже рыбки. Давайте посмотрим на данио рерио дикого (природного) типа. Синие и желтые полосы на боках у этой рыбки образованы упорядоченно расположенными в коже хроматофорами.

    Воспринимаемая нами окраска рыб, как впрочем, и любых других окружающих нас предметов, это своего рода "игра разума" – красивый фокус, который показывает нам наш мозг. Дело в том, что в соответствии с законами оптического смешения цветов мы видим каждую точку рассматриваемого объекта только в каком-нибудь одном цвете, несмотря на то, что на самом деле она посылает множество лучей различной длины волны в наш глаз. Эти лучи могут быть отраженными, а могут испускаться рассматриваемым объектом (в этом случае говорят, что объект самосветящийся). Окраска данио рерио дикого типа воспринимается нами посредством отраженных лучей. В коже рыбы имеется несколько типов отражающих и светопреломляющих элементов, влияющих на её цвет: меланофоры содержат пигментные зерна черного цвета (они ничего не отражают, а только поглощают), красные эритрофоры и желтые ксантофоры (отражают соответственно красные и желтые лучи, остальные поглощают) и бесцветные гуанофоры, содержащие светопреломляющие кристаллы гуанина, которые могут концентрироваться или распределяться по клетке. Светопреломление в гуанофорах, в зависимости от угла падения света, приводит к изменению цвета покровов рыбы от серебристо-белого до синевато-фиолетового и сине-зеленого или даже желто-красного. Гуанофоры в сочетании с ксантофорами и эритрофорами дают зеленый, а с меланофорами – синий цвет. Вот как непросто устроены синие и желтые полоски данио! Они могут почти полностью экранировать или сильно изменять наше восприятие цвета флуоресцентных белков. Поэтому трансгенные рыбки, синтезирующие зеленый флуоресцирующий белок (gfp), могут выглядеть не только зелеными, но и желтыми и даже слегка голубоватыми, а синтезирующие красный (rfp) – розовыми и пурпурными.

    Таким образом, в чистом виде "трансгенную" окраску Гло-фиш рыбок лучше всего наблюдать у мутантных линий с ослабленной пигментацией. Таковых в настоящее время выведено множество.

    Флуоресцентная составляющая окраски трансгенных рыб, то есть эмиссия красных или зеленых лучей, возрастает при освещении рыб ультрафиолетовым светом (безопаснее всего использовать источник излучения мягкого ультрафиолета "А" (400-320 нм – long-wave ultraviolet)*, и наблюдать её лучше всего в темноте, когда флуоресценция проявляется в незамаскированном виде, так как хроматофорам просто нечего отражать в видимом нами диапазоне световых волн.

Влияние освещения аквариума на окраску трансгенных рыб
			Сверху вниз: Glofish, Glofish-2, Taikong-2 При освещении белым светом мы видим рыб в основном посредством отраженных лучей. Вклад флюоресцентной составляющей (свечения) в формирование зрительного образа возрастает с увеличением доли синих лучей при освещении рыб. Под ультрафиолетом они предстают перед нами как светящиеся объекты
(Если картинки меняются не синхронно, обновите страницу после их загрузки)

    Наносит ли рыбам вред мягкое ультрафиолетовое излучение? Этот вопрос пока мало изучен, однако, есть данные, что ежедневное пятичасовое облучение ультрафиолетом Б (313 нм) никак не сказалось на состоянии кожных покровов медак, причем медаки-альбиносы оказались столь же устойчивыми, что и рыбы дикого типа. 

    Как получаются Гло-фиш рыбки иных цветов (не красные и не зеленые)? Оранжевых рыбок создали скрестив трансгенных носителей rfp-гена и gfp-гена. У гибридов в мышечной ткани имеет место экспрессия обоих генов (это "дважды трансгенные" рыбы), причем красного белка синтезируется больше, вот мы и воспринимаем их цвет как оранжевый. При дневном освещении виден преимущественно итог вычитательного смешивания отраженных цветов, когда результат оказывается несколько темнее любого из исходных цветов. При этом на цвет рыбки оказывают влияние еще и расположенные в коже хроматофоры. При освещении ультрафиолетом мы воспринимаем результат слагательного смешивания испускаемых Rfp и Gfp лучей, когда итоговый цвет выглядит светлее исходных. Эти эффекты иллюстрируют приведенные ниже анимации и фото.

Оранжевые рыбки имеют и красный, и зеленый пигменты. При дневном освещении  gfp  и rfp больше похожи на простые краски и смешиваются также как они...
...а под ультрафиолетом gfp и rfp начинают флуоресцировать и смешиваются уже как красный и зеленый лучи света
Трансгенные данио рерио, полученные проф. Гонгом: A – при дневном свете и B – при освещении ультрафиолетом (385 нм); рыбы анестезированы феноксиэтанолом и сфотографированы вне воды. Red – трансгенные рыбы, несущие rfp-ген, экспрессию которого можно принять за 100% от максимально возможной; Green – рыбы с максимальной экспрессией gfp-гена; Orange – несут rfp/gfp-гены, при этом экспрессия gfp составляет только 15-20% от максимальной, Yellow – рыбы с yfp-геном (это искусственно полученная мутация gfp-гена), и Wild-type – рыбы с природным генотипом.

    Одни и те же Гло-фиш рыбки выглядят при дневном освещении и при освещении ультрафиолетом по-разному. При дневном освещении мы воспринимаем их цвет главным образом посредством отраженных лучей. В этих условиях оранжевая рыбка, цвет которой получен смешением двух красителей (gfp и rfp), выглядит несколько более темной, так как наблюдается эффект вычитательного, или субтрактивного смешивания цветов, поскольку каждый краситель поглощает свою часть спектра. То же самое происходит на палитре художника, когда он смешивает краски. Совсем иначе обстоит дело при освещении рыбок ультрафиолетом. Тут вклад флуоресценции в создание зрительного образа очень велик, поэтому рыбки воспринимаются как самосветящиеся объекты. Оранжевая рыбка выглядит светлее красной и зеленой, так как в её мышцах светятся и rfp (его столько же, сколько в красной рыбе), и gfp (а это еще примерно 15% добавка к свечению). В этом случае происходит аддитивное, или слагательное смешение цветов.

    Вопрос о том, как регулировать содержание флуоресцирующих белков в мышцах Гло-фиш рыб (ведь желаемый оттенок можно получить только строго выдерживая их пропорцию) производители аквариумных генетически модифицированных рыб подробно не освещают – это коммерческая тайна. Однако общий принцип регуляции известен: нужное количество флуоресцентных белков в мышечной ткани получают изменяя силу промоторов, то есть их способность обеспечивать экспрессию генов-репортеров. В итоге, одного окрашивающего рыбу белка синтезируется больше, а другого меньше, что обеспечивает получение определенного результирующего цвета (как в случае с ТГ данио рерио оранжевого цвета).

    Следует отметить, что при создании устойчивых линий трансгенных рыб разных цветов и оттенков, стабильно передающих свои свойства потомкам, на первый план выходит классическая селекционная работа. Рыб-носителей трансгенов скрещивают с представителями тех или иных чистых генетических линий (background line), а затем кропотливо отбирают потомство с нужными свойствами. Наследование генов, ответственных за синтез gfp и rfp подчиняется законам Менделя, при этом указанные гены ведут себя как доминантные.

    Однако есть и особенные трансгенные аквариумные рыбы, способ получения которых держится в тайне, и можно только гадать о том, как они были получены. Это творения корпорации Тайконг – рыбы известные как TK-3 (Candycane).

Трансгенные данио рерио от корпорации Тайконг - ТК-3

    "Фирма-изготовитель" лишь указывает, что рыбы синтезируют gfp и rfp под управлением "актинового" промотра, но как добились такого неестественного распределения флуоресцентных белков? Согласно одной из гипотез эти рыбки составлены из двух разрезанных пополам ТГ эмбрионов, один из которых обладал gfp-, а другой – rfp-генами. К передней части туловища одного прирастили заднюю другого. Если операцию провести на ранних стадиях развития эмбриона, то успешное сращивание половинок вполне возможно. Словом, это результат виртуозной ручной работы. Недаром в широкой продаже этих Гло-фиш рыб пока нет.

Еще о трансгенных рыбах можно прочитать: 

Трансгенные аквариумные рыбы, они же генетически модифицированные, они же флюоресцирующие, Glofish, ТК-1 и TK-2 и НЕ ТОЛЬКО, теперь это обычный товар народного потребления. В этом качестве они оказались первыми среди трансгенных рыб. 

Как получили генетически модифицированных рыб? Трансгенные рыбы для развлечения, еды и науки. 

Разновидности трансгенных светящихся аквариумных рыб: ТК-1, TK-2, ТК-3, CloFish и другие... 

Генетически модифицированная аквариумистика. Примеры "Glow-аквадизайнов".

* Источник ультрафиолетового излучения может оказаться полезным и для не связанных с аквариумистикой целей. Так, например, с его помощью можно обнаружить практически незаметное при обычном освещении, но дурно пахнущее пятно кошачьей мочи на ковре или мебельной обивке, надо только в достаточной мере затенить исследуемый объект, чтобы можно было увидеть флуоресценцию пятна. 
Назад к тексту

** Эта фотография и фото трансгенных данио разных цветов, сфотографированных при дневном свете и в ультрафиолетовых лучах взяты из статьи проф. Гонга с соавторами: "Development of transgenic fish for ornamental and bioreactor by strong expression of fuorescent proteins in the skeletal muscle" – Biochemical and Biophysical Research Communications, 308, 58-63, 2003. 
Назад к тексту

  В настоящее время в продаже есть не только данио разных расцветок, но еще и тернеции, и суматранские барбусы, и лабео, и лисички каллоптерусы, и петушки. Иногда встречаются даже скалярии. А вариантов окраски "глошных" данио и тернеций - десятки!

Тернеции Гло-фиш.  Зеленая и зеленая-альбино разновидности.

Трансгенная тернеция с красным флуоресцирующим пигментом, цвет которого виден сквозь естественную природную окраску.

Трансгенная тернеция с зеленым флуоресцирующим пигментом, цвет которого виден сквозь естественную природную окраску. В настоящее время самых разных трансгенных рыбок с окраской "гло" можно купить во всех крупных аквариумных магазинах, например, в Экзоменю, где я сейчас работаю, и в АкваИнтерио.