Kladivo na jedy
9. 9. 2009
Od začátku průmyslové revoluce se do přírodního prostředí dostává obrovské množství chemických látek. Jsou to látky, které příroda nezná. Mikroorganizmy, které se během miliard let naučily rozkládat přirozené toxiny, nemají vhodné enzymy, které by si s těmito chemikáliemi poradily, a ty pak zůstávají v přírodě dlouhé stovky let. Zamořují půdu, ale i zdroje povrchové a podzemní vody. Často se přitom jedná o látky, které jsou zdraví nebezpečné. Jednou z nich je například rakovinotvorné TCP – trichlorpropan. Proteinoví inženýři z Loschmidtových laboratořích v Brně ale vyvinuli látku, která tuto chemikálii dokáže účinně rozkládat.
Od začátku průmyslové revoluce se do přírodního prostředí dostává obrovské množství chemických látek. Jsou to přípravky, které příroda nezná, a proto si s nimi neumí poradit.
Mikroorganizmy, které se během miliard let naučily rozkládat přirozené látky, nemají vhodné enzymy, které by chemikálie z prostředí odstranily. Ty pak zůstávají v přírodě dlouhé stovky let. Zamořují půdu i zdroje povrchové a podzemní vody a ohrožují zdraví lidí i živočichů. V Loschmidtových laboratořích inženýři vyvinuli látku, která dokáže rozkládat nebezpečný trichlorpropan.
Doc. Jiří Damborský, Dr., Národní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova Univerzita Brno: Trichlorpropan patří mezi pravé antropogenní látky, to znamená látky, které produkují lidé a nevznikají v přírodě samovolnou cestou. Vznikají v chemických výrobách a je to látka, která je často nechtěná. Je to vedlejší produkt výroby nějaké látky, která je užitečná.
TCP je bezbarvá kapalina, která se na vzduchu odpařuje a pomocí slunečního světla se pak rozkládá. Pokud ale zůstane hluboko v půdě nebo podzemních vodách, vydrží tam bez problémů i sto let. Pro vodní organizmy je TCP silně toxický a může přispět i ke vzniku rakoviny u člověka. V laboratoři je ale možné trichlorpropan odbourat a to pomocí bakteriálních enzymů – tedy speciálních bílkovin, které mají schopnost spouštět a urychlovat chemické reakce.
RNDr. Zbyněk Prokop, Ph.D., Národní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova Univerzita Brno: Přírodní degradátoři neumí tuto látku odbourat, protože ten klíčový enzym, který započne odbourávání této látky, nemají dostatečně aktivní, nebo ho nemají přítomný vůbec. My, když vyizolujeme ten enzym uměle v laboratoři a dáme ho k té látce, tak detekujeme aktivitu, ale není dostatečná.
Tým z Loschmidtových laboratoří se zaměřil na enzym, který produkuje půdní bakterie zvaná Rhodoccocus. Pomocí proteinového inženýrství pak vědci enzym upravovali tak, aby se zvýšila jeho schopnost rozkládat TCP. Nejdřív pomocí počítačového modelování studovali,
jakým způsobem enzym látku zpracovává, a snažili se najít takzvané aktivní místo, které hraje klíčovou roli. Právě v něm totiž dochází k chemické reakci. U tohoto enzymu je aktivní místo skryté uvnitř molekuly a rozkládaná látka se k němu dostává takzvanými přístupovými tunely.
Právě tyto tunely se proteinoví inženýři snažili upravit tak, aby látce usnadnili přístup a urychlili tak chemickou reakci.
Mgr. Radka Chaloupková, Ph.D., Národní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova Univerzita Brno: V naší práci jsme se snažili modifikovat průchodnost těmito tunely a to takovým způsobem, že jsme identifikovali klíčové aminokyseliny, které nějakým způsobem mohou ovlivňovat jak tvorbu stěn těch tunelů, nebo například ústí vstupu do těch tunelů. Ty jsme se potom snažili modifikovat s cílem, abychom vlastně zajistili co nejlepší průchodnost a vlastně odchod substrátu a produktu do aktivního místa enzymu.
Substrát je látka, která vstupuje do enzymu, kde podléhá chemické reakci. Produkt je výsledek reakce, tedy látka, která zbude a která z enzymu odchází. Změny navržené u počítače se pak uskuteční v biochemické laboratoři pomocí metod proteinového inženýrství. Vědci konstruují geny a vkládají je do bakterií, které takto na zakázku vyprodukují enzym s vylepšenými vlastnostmi. Říká se tomu „řízená evoluce“ – chemik vlastně v průběhu pouhých týdnů a měsíců provede změnu, která by v přírodě trvala desítky i stovky tisíc let.
Mgr. Martina Pavlová, Ph.D., Národní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova Univerzita Brno: To urychlení je vlastně v principu, že zasáhnete na úroveň DNA, kde velmi rychle a náhodně vnášíte chyby na DNA úrovni. Je to děláno chemicky a vlastně všechno to probíhá pouze v malé zkumavce.
V přírodě by k takovým změnám docházelo pomalu, a to jen působením selekčního tlaku. Pouze velké koncentrace látky v prostředí by přinutily organizmy, aby se jim přizpůsobily a naučily se je odbourávat. Pomocí řízené evoluce vzniklo na 5200 různých variant původního enzymu. Varianty byly testovány a ty s nejlepšími výsledky se pak znovu upravovaly, až vznikla varianta dosud nejúčinnější, která má dvaatřicetkrát lepší schopnost rozkládat TCP, než původní enzym.
Mnohem důležitější je ale skutečnost, že tato metoda se dá použít i pro úpravy všech podobných enzymů. A je jedno, jestli vědci budou chtít získat látku pro odstraňování chemikálií z životního prostředí, vyvíjet nová léčiva, nebo hledat alternativní zdroje energie. Právě díky tomu se článek o této metodě dostal na stránky srpnového vydání prestižního časopisu Nature Chemical Biology.
Doc. Jiří Damborský, Dr., Národní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova Univerzita Brno: Pro nás je velmi důležité, že ta metoda je univerzální, protože pokud by bylo použitelné jen pro ten problém trichlorpropanu nebo jenom pro degradace toxických látek z odpadních vod, tak by to nebylo dostatečně zajímavé. Ta metoda je nyní univerzální, lze ji využít pro různé proteiny, které mají aktivní místo skryté uvnitř proteinu.
Při zkoumání toho, jak enzym funguje, přišli vědci na jednu zajímavou věc: Schopnost rozkládat látky ovlivňuje voda. Zjednodušeně se dá říct, že molekula vody soutěží s molekulou rozkládané látky. Jakmile se do aktivního místa naváže voda, už se tam nemůže dostat třeba právě TCP a reakce se zpomalí. Důležité proto bylo upravit přístupové tunely tak, aby jimi voda nemohla procházet. K porozumění chování molekul vody uvnitř proteinů pomohla biochemikům z Loschmidtových laboratoří spolupráce s týmem z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského v Praze.
Doc. Dr. Martin Hof, DrSc., Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: Funguje to tak, že použijeme takzvanou fluorescenční sondu, kterou upevníme do aktivního místa enzymu. Pomocí fluorescence pak můžeme zjistit, jak se pohybují molekuly vody v okolí té sondy. Používáme k tomu lasery s velmi krátkými pulzy a malou intenzitou. Ta metoda je neinvazivní, takže při ní buňky nebo proteiny, které studujeme, nemusíme rozbít.
Tyto metody dělají vědcům velkou radost. Obvykle uvedení do každodenního použití představuje běh na dlouhou trať, brněnský nástroj však už teď mohou používat biochemici z celého světa. Odpověď na otázku, kdy se začne s odstraňováním TCP pomocí nově zkonstruovaného enzymu, však zatím neznají ani sami vědci. Ještě totiž zbývá vyřešit několik technických problémů, jako je výroba a uskladňování enzymu v dostatečném množství. Také ještě zbývá otestovat bezpečnost jeho použití.
Autor: Tereza Pultarová