Z čeho se skládáme
24. 10. 2007
Život na naší planetě je nesmírně pestrý a mnohotvárný. Lidem se už podařilo určit genom mnoha organismů, to ale nestačí. Genetický kód poskytuje pouze instrukce k vytváření bílkovin. Vědci proto nyní chtějí odhalit všechny bílkoviny, ze kterých se jednotlivé formy života skládají. Je to však úkol mnohem složitější – zatímco lidský genom obsahuje na pětadvacet tisíc genů, počet bílkovin se odhaluje na dvě stě tisíc až dva miliony. Lidské geny tedy kódují přinejmenším desetkrát více proteinů a jejich forem. Předpokládá se, že dnes jich známe asi třetinu, ale nikdo si tím není jistý. Ukážeme, jaké metody vědci používají, aby se dobrali toho, z čeho se skládáme. Jejich poznatky ovšem budou sloužit k tomu, abychom poznali podstatu mnoha nebezpečných nemocí.
Proteiny se podílejí na všech dějích, které se v organizmu odehrávají. Tvoří struktury tkání a například kolagen je podstatnou součástí šlach, vaziva a chrupavek. Proteiny jsou nosiči nejrůznějších látek v těle – například hemoglobin přenáší kyslík a oxid uhličitý. Fungují také jako enzymy, které umožňují chemické reakce v těle. Bílkoviny jako myosin nebo aktin umožňují stahování svalů. Bílkoviny také regulují fyziologické pochody, řídí růst a jsou nedílnou součástí imunitního systému.
A navíc – zatímco geny zůstávají prakticky stejné ve všech buňkách organizmu, bílkoviny se mění. V každé tkáni jsou jiné, mohou se lišit podle věku, stravy, pohybové aktivity i druhu onemocnění. Proto existuje obrovská snaha poznat všechny bílkoviny v živých organizmech.
A jak se proteiny staví? Postup není jednoduchý, ale můžeme je shrnout takto: Lidský genom se skládá z dlouhých řetězců DNA smotaných do 46 chromozomů. V každém se pak nacházejí desítky až tisíce genů. Jednotlivé geny se přirovnávají k programu, který přikazuje buňce, jak vytvářet proteiny. Genetické instrukce přenášejí určité molekuly a buněčné struktury. Jeden ze stavebních nástrojů se nazývá kyselina ribonukleová – RNA, druhým jsou ribozomy. Podle jejich pokynů se řadí za sebou různé aminokyseliny. A protože aminokyselin je dvacet a mají nejrůznější velikost a tvar a mohou se různě kombinovat, jsou i vznikající bílkoviny nezměrně odlišné a různorodé. Mnoho bílkovin navíc ještě projde nejrůznějšími úpravami, aby byly připraveny na své pracovní úlohy v buňkách a tkáních.
Jelikož každá buňka obsahuje stovky až tisíce bílkovin, musí vědci tyto bílkoviny nejprve oddělit. My si celý postup ukážeme na příkladu jednoho z nejjednodušších organismů – bakteriofágů, tedy virů, které napadají bakterie. Vzorek s jednotlivými složkami a strukturami viru biologové pošlou do specializovaného zařízení. U nás je tímto zařízením například Laboratoř hmotnostní spektrometrie biomolekul Masarykovy univerzity v Brně.
RNDr. Zbyněk Zdráhal, Centrální laboratoř speciálních technik, Oddělení funkční genomiky a proteomiky, PřF MU, Brno: Naše úloha v tomto projektu je analýza proteinů, to znamená, že my od kolegů z katedry biologie dostaneme směs proteinů vyizolovaných z fága, my tyto proteiny rozdělíme a potom jednotlivé proteiny identifikujeme.
Nejdříve se jednotlivé proteiny rozdělí metodou zvanou dvourozměrná gelová elektroforéza. Tato metoda využívá skutečnosti, že bílkoviny mají různý náboj a různou hmotnost, takže putují gelem různou rychlostí. Směs bílkovin se tudíž nejprve rozdělí působením elektrického napětí podle svého náboje, pak v druhém rozměru putují gelem čistě v závislosti na své velikosti. Po obarvení vystoupí obraz, kterému se říká mapa proteinů. Co skvrnka nebo tečka, to protein – a může jich být až deset tisíc. Vědci se zaměří na jednu z nich, která je pro ně dosud neznámá. Pak se tato záhadná bílkovina vyřízne i s gelem a předá se k dalšímu zkoumání. Protože bývají jednotlivé bílkoviny ještě dost složité, rozštípou se na menší části, kterých bývá tak deset až patnáct.
Vědní disciplínou, která se zabývá výzkumem bílkovin, je proteomika. Úkolem proteomiky je podrobně popsat všechny pochody v buňce – ty zdravé i ty, které se vymykají normálu. Poznatky proteomiky pak budou sloužit v medicíně.
Zkoumané množství je opravdu nepatrné. Vědcům ale stačí.
RNDr. Zbyněk Zdráhal, Centrální laboratoř speciálních technik, Oddělení funkční genomiky a proteomiky, PřF MU, Brno: Celý proteom bakteriofága obsahuje zhruba sto proteinů, a my z těchto sta proteinů jsme identifikovali dvacet. Z těchto dvaceti proteinů většina je strukturních, které tvoří tělo bakteriofága.
Malé součásti bílkoviny určí tento hmotnostní spektrometr. Počítač je porovná s údaji v databázi bílkovin. Software určí největší shodu – a bílkovina je známá. Takto se postupuje protein po proteinu až se dopěje k složení celého organizmu.
Některé bílkoviny se však přesto nedaří najít. Proto se vyvíjejí další metody jejich určování. Tento postup využívá k oddělování proteinů tenounké křemenné kapiláry, takže bude možné obejít fázi dělení v gelu. Postup je jednodušší a spotřebovává méně vzorku.
Doc. Mgr. Jan Preisler, Katedra analytické chemie, PřF MU, Brno: Naše metody by právě měly být dostatečně citlivé, měly by být rychlejší a dostatečně robustní a my je s výhodou můžeme otestovat na systémech, jako je bakteriofág.
A k přesnému určení bílkoviny by se nemusel využívat hmotnostní spektrometr, ale třeba fluorescence vyvolaná laserem. Bílkoviny se ale chovají jako přeludy – mizí a opět se objevují, proměňují se. Struktura některých proteinů je již známá, například svalového myoglobinu a krevního hemoglobinu.
Bílkoviny samotné lékařům poskytují informace o zdraví buněk a tkání. Proto se proteomikou zabývají výzkumné ústavy i velké farmaceutické společnosti. Proteomika je totiž nástrojem k objevování takových proteinů, které naznačují určitou chorobu podstatně dříve, než se objeví její příznaky. Tyto proteiny se označují jako biomarkery. Lze je najít v krvi nebo v moči. Vědci už znají biomarkery pro Alzheimerovu chorobu, nebo choroby srdce i ledvin. Poznání proteomu tedy bude velmi důležité pro včasné zjištění nemocí i pro nalezení jejich účinnější léčby.
Autor: Šárka Speváková