Zahlavi

Molekuly proteinů fungují jako antény. Zjištění pomůže při vývoji léčiv

03. 12. 2020

Vědci z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR prokázali zvláštní vlastnosti molekul fluorescentních proteinů. Chovají se jako miniaturní antény, které pohlcují i vysílají světlo v závislosti na prostorové orientaci. Fluorescentní proteiny, původně objevené v medúzách, se používají ke studiu molekulárních procesů v živých buňkách a organismech. Nově popsané vlastnosti těchto molekul pomůžou v základním biologickém výzkumu i při vývoji nových léčiv, například látek nahrazujících inzulin.

Malá hádanka: „Ozáříte ho modře, ale on zasvítí zeleně. Víte, co to je?“ Zřejmě jen chemici budou znát správnou odpověď. Nejde o žádného mimozemšťana, ale o takzvaný fluorescentní protein. Vyznačuje se tím, že pohlcuje světlo o určité vlnové délce a sám potom vysílá světlo delších vlnových délek.

Josef Lazar z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR vysvětluje, že první identifikovaný protein tohoto typu byl právě zelený, objevený v medúze Aequoria victoria. Při ozáření modrým světlem zasvítí zeleně. „Fluorescentní proteiny našly opravdu široké uplatnění v biologických vědách, neboť umožňují viditelně označit, přímo v živých buňkách nebo i v celých organismech, molekuly nějaké jiné, specifické bílkoviny,“ říká Josef Lazar.


Krystal červeného fluorescentního proteinu svítí při ozáření modrým laserem červeně. 

U takto označených molekul se pak dá sledovat, co se s nimi za různých podmínek děje. Pomáhají sledovat například vývoj neuronů v mozku nebo dělení nádorových buněk. Za objev fluorescentních proteinů a rozvoj jejich uplatnění byla v roce 2008 udělena Nobelova cena za chemii.

Jako anténa
Tým pod vedením Josefa Lazara nyní potvrdil, že tyto zvláštní proteiny se při ozáření nechovají jako světélkující body, jak se dosud myslelo. Světelný bod se vyznačuje tím, že jeho optické vlastnosti se ze všech směrů jeví stejně. Odkudkoli pohlcuje a do všech směrů vysílá stejné množství světla.

Jenže zmíněné proteiny z medúzy jsou spíš anténkami. Podobně jako antény rádia, wi-fi či televizního vysílače, pohlcují světlo pouze z některých směrů, a stejně tak vysílají záření pouze někam. Výzkumníkům se podařilo tyto směry přesně určit. „Ačkoli molekuly fluorescentních proteinů mají komplikovaný trojrozměrný tvar, zjistili jsme, že z pohledu světla se chovají jako tyčová anténa. Podařilo se nám s přesností jednoho stupně určit její směr vůči trojrozměrné molekule,“ přibližuje Josef Lazar.


Josef Lazar mikroskopicky zjistil, jak krystaly absorbují a emitují světelné záření.

K pokusu vědci připravili bakterie s fluorescentními proteiny, nalezli podmínky, za nichž tyto proteiny vytvářejí krystaly, a zjistili jejich atomární strukturu. Unikátním mikroskopem potom změřili, jak krystaly absorbují a emitují světelné záření, a pomocí výpočtů zjistili směrové vlastnosti jednotlivých molekul.

Už dřív se teoreticky předpokládalo, že se molekuly fluorescentních proteinů mohou projevovat jako antény, chyběl ale důkaz. Překážky v praktickém využití se podařily překonat až Josefu Lazarovi a jeho týmu, který se specializuje na vývoj a uplatnění technik pokročilé optické mikroskopie.

„Z výsledků jiných laboratoří i z našich vlastních jsme tušili, že se molekuly fluorescentních proteinů pravděpodobně chovají jako antény. Přesto pro nás bylo překvapením vidět, jak dokonale tato analogie platí a jak přesně jsme byli schopni určit, z jakých směrů molekuly pohlcují a vyzařují světlo,“ říká Josef Lazar.

Náhrada inzulinu
Celé zjištění není zajímavé jen jako fyzikální kuriozita, může mít důležité praktické využití. Připojení fluorescentního proteinu k jiné bílkovině bude fungovat jako připojení miniaturní antény. Pomocí ní se dají detailně zjišťovat změny tvaru molekul zkoumané bílkoviny v živé buňce, třeba po užití léčiva. Současný objev tak nalezne uplatnění ve zkoumání důležitých fyziologických procesů na molekulární úrovni, ale i ve vývoji nových léků.

Tým Josefa Lazara ve spolupráci s dalšími skupinami z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR už studuje fyziologické působení inzulinu a jeho náhražek, které by se daly užívat orálně. Zatím se inzulin u cukrovky 1. typu pouze píchá jehlou, protože ho trávicí enzymy rozkládají. Podle Josefa Lazara by měl vývoj orálního přípravku schopného nahradit léčbu inzulinem velmi pozitivní vliv na život mnoha lidí po celém světě. Dalším příkladem uplatnění objevu je sledování elektrických signálů v nervových buňkách, což by mohlo pomoci při studiu mozku a neurologických onemocnění.

Kromě Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR na pokusu pracoval také Mikrobiologický ústav AV ČR a Ústav molekulární genetiky AV ČR. O jejich práci tento týden referoval prestižní časopis Národní akademie Spojených států amerických Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Připravil: Jan Klika, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Ústav organické chemie a biochemie AV ČR

Přečtěte si také