Projekt CasProt – ako vylepšiť prírodné molekuly

Sledujúc Vaše web stránky, je najmä v ostatnom čase vidieť, že sa u Vás dejú viaceré významné akcie. Mohli by ste nám ich priblížiť?

Áno, máte pravdu. Na prelome apríla a mája sme začali s organizáciou série rôznych vedeckých podujatí. Najprv to bolo medzinárodné sympózium Riadená evolúcia proteínov v Tatranskej Lomnici, nasledovali workshop a letná škola s rovnakou témou, tentoraz však už na pôde UPJŠ v Košiciach. Nakoniec, v závere mája sme organizovali ešte aj poslednú letnú školu plánovanú v rámci projektu CasProt, ktorá bola venovaná biofotonike. Všetky tieto akcie boli mimoriadne úspešné a zúčastnili sa ich viacerí domáci aj zahraniční experti, výskumní pracovníci, doktorandi i pregraduálni študenti.

Konkrétne, sympózia sa zúčastnilo 26 osobností, ktoré prezentovali najmä výsledky dosiahnuté v rámci riešenia projektu CasProt. Prínosné boli aj diskusie so zástupcami iných vedeckých skupín, s ktorými spolupracujeme v rámci rôznych iných projektov, ako aj v rámci dlhodobých osobných vzťahov. Na štvordňovom workshope, ktorý bol prístupný aj širokej vedeckej verejnosti, odzneli prednášky zahraničných i domácich odborníkov o súčasných výpočtových a experimentálnych metódach evolúcie a produkcie proteínov. V rámci letných škôl malo možnosť 21 študentov nadobudnúť a rozšíriť si nielen svoje teoretické vedomosti, ale aj praktické zručnosti a skúsenosti, z oblasti riadenej evolúcie proteínov a biofotoniky.

Mohli by ste spomenúť aj konkrétne mená a prednášky, resp. témy, o ktorých ste diskutovali?

Za všetkých by som rád spomenul našich kolegov z partnerských univerzít UZH v Zürichu a TUM v Mníchove, prof. Andreasa Plückthuna a prof. Matthiasa Riefa, ktorých prednášky boli venované súčasnému stavu a využitiu metód riadenej proteínovej evolúcii a jednomolekulárnej silovej spektroskopii. V rámci pozvaných expertov by som upriamil pozornosť na prof. Zbyňka Prokopa a jeho prednášku o využití komplexných matematických analýz v proteínovom inžinierstve, či dr. Martina Toula, ktorý sa v rámci workshopu venoval metódam racionálneho dizajnu a ich použitia pri vývoji vybraných proteínov. Obaja pochádzajú z Masarykovej univerzity v Brne, zo skupiny prof. Jiřího Damborského, s ktorým sa nám v ostatných rokoch podarilo nadviazať dôležitú spoluprácu pri riešení problematiky vývoja špecifických proteínov a enzýmov. Z programu Letnej školy biofotoniky určite stoja za zmienku prednášky prof. Huberta van den Bergha zo švajčiarskej univerzity EPFL v Lausanne zamerané na fotomedicínu, v ktorých predstavil nielen vývoj, ale hlavne konkrétne klinické výsledky mnohých ním a jeho skupinou vyvinutých liekov a liečebných postupov.

Je toho naozaj veľa, čo by som rád spomenul, a tým nemyslím len zahraničných, ale aj našich domácich, mojich najbližších kolegov, no nie je tu na to priestor. Som rád, že aj takéto akcie poukazujú na vysokú úroveň vedy, ktorú v Košiciach robíme a dosahovanými výsledkami dávame najavo, že aj v rámci riešenia veľkých európskych projektov sme plnohodnotnými partnermi.

V spojitosti s projektom CasProt je nepochybne jedným z najviac skloňovaných slov slovo proteín. Dnes tu už boli spomenuté aj enzýmy, riadená evolúcia proteínov, či proteínové inžinierstvo. Mohli by ste nám bližšie vysvetliť aspoň niektoré z týchto termínov?

So slovami proteín, či proteínový sa dnes stretávame často aj v bežnom živote, v súvislosti so stravou, resp. výživovými doplnkami. Ak chceme byť pri popise proteínov viac exaktní, určite si nevystačíme len s jednou definíciou. Proteíny sú molekuly, ktoré sú kľúčové a nevyhnutné pre život – nachádzajú sa v živých organizmoch, kde zabezpečujú ich celistvosť a zúčastňujú sa základných biologických procesov. Názvom enzýmy označujeme tie proteíny, ktoré zabezpečujú presnosť a efektívnosť chemických reakcií prebiehajúcich v organizmoch. Zo štruktúrneho pohľadu definujeme proteíny ako makromolekuly, teda veľké molekuly zložené zo základných stavebných jednotiek, z molekúl aminokyselín. Ich kombináciou sa v ľudskom tele podľa potreby syntetizujú rôzne proteíny. Najprv ako nerozvetvené, resp. lineárne reťazce, ktorých vlastností sú určené obsahom aminokyselín (ktoré a koľko) a ich poradím. Ale keďže proteíny sú funkčné len vtedy, keď majú určitú 3D štruktúru, musia sa tieto lineárne molekuly určitým spôsobom zbaliť. Ako? Je to presne dané vlastnosťami daného reťazca, čiže ide o vysoko špecifický proces, ktorý sa často označuje aj ako druhá časť genetického kódu (poznámka: pod genetickým kódom sa vo všeobecnosti rozumie genetická informácia uložená v DNA). Vieme, že v procese evolúcie boli postupne vybrané také reťazce, ktoré viedli k stabilnej a funkčnej štruktúre proteínov v danom prostredí, t.j. také, ktoré umožnili organizmu prispôsobiť sa okolitým podmienkam. My sa snažíme to isté robiť v laboratóriu, v skúmavke – napodobniť a určitým spôsobom aj riadiť proces evolúcie proteínov, ktorého výsledkom majú byť/sú proteíny s upravenými – s už vopred definovanými, „vylepšenými“ – vlastnosťami. 

V čom sa metóda riadenej evolúcie proteínov odlišuje od proteínového inžinierstva?

Proteínové inžinierstvo je silná metóda a dlhodobo to bola aj jediná metóda na získavanie „vylepšených molekúl“. Jej nevýhodou je, že potrebujeme už dopredu poznať štruktúru daného proteínu. Následne, teoretické analýzy, tzv. in silico počítačové analýzy, nám umožňujú identifikovať konkrétnu pozíciu, resp. pozície, o ktorých si myslíme, že ich zámenou vytvoríme proteíny, ktoré by mali mať požadované vlastnosti. Tento postup je však dosť prácny a častokrát nevedie k žiadanému výsledku. Preto boli navrhnuté alternatívne metódy proteínového inžinierstva, tzv. evolučné techniky. Alternatívny prístup spočíva práve v tom, že ak nevieme (a teda nepotrebujeme dopredu vedieť), kde presne máme urobiť danú zámenu – mutáciu, tak si pripravíme všetky možné mutácie, ktoré dokážeme urobiť a z nich si následne vyberáme tie „vhodné“. Pre lepšiu predstavu, v jednom momente máme k dispozícii bilión rôznych molekúl, z ktorých si pomocou tejto metódy vieme vybrať iba tie molekuly, ktoré spĺňajú konkrétnu požiadavku, resp. vykazujú veľký potenciál pre konkrétne biotechnologické a biomedicínske využitie.

Viete nám uviesť aj konkrétne príklady, resp. projekty, na ktorých pracujete?

Rád by som začal niečím takým obyčajným, ako sú pranie a pracie prášky. Aby sme pri klasickom praní pomocou detergentov efektívne odstránili nečistoty z prádla sú potrebné vyššie teploty. Z viacerých dôvodov tu však bola stále intenzívnejšia požiadavka: Ako prať efektívne aj pri nízkych teplotách? Riešením nakoniec bolo pridanie biologickej zložky do prášku. Konkrétne ide o enzýmy na báze lipáz a/alebo proteáz, ktorých úlohou je štiepiť mastné a/alebo proteínové škvrny, a tak významne zjednodušiť a zefektívniť ich odstránenie z prádla, dokonca aj pri nízkych teplotách.

Čo sa týka našich projektov, vrátim sa už k skôr spomenutej spolupráci so skupinou prof. Damborského. V súčasnosti intenzívne pracujeme najmä na dvoch spoločných projektoch – vývoji trombolytík a haloalkánových dehalogenáz. V prvom prípade ide o lieky určené na rozpúšťanie krvných zrazenín. Možno to bude pre Vás prekvapivé, ale infarkt myokardu je i naďalej najčastejšou príčinou úmrtí v Európe a k tejto smutnej štatistike bezpochyby prispieva aj nedostatok kvalitných trombolytík. V druhom prípade ide o enzýmy, ktoré sú významné v procese bioremediácie životného prostredia, inak povedané, v procese odstraňovania znečisťujúcich látok z vody, pôdy a pod. pomocou mikróbov. Použitím týchto enzýmov vieme prítomné toxické látky na báze pesticídov a výbušnín meniť na jednoduché molekuly alkoholu, ktoré sa následne prirodzene odbúravajú, alebo ich dokážeme využiť niekde inde, v iných bezpečnejších aplikáciách. V oboch prípadoch na to používame evolučnú techniku ribozómového displeja, ktorú sa nám v ostatných rokoch podarilo uviesť aj v našich laboratóriách. Bolo to vďaka finančnej podpore viacerých domácich a európskych projektov, ale najmä vďaka zanietenej a vytrvalej práci kolegov a študentov, za čo im aj na tomto mieste chcem vyjadriť úprimnú vďaku.

Predpokladám, že toto je len časť Vášho vedeckého zamerania v oblasti proteínov. Zaregistrovali sme otvorenie nových laboratórií, ale i ďalšie zaujímavé témy, napr. pavúčie proteíny a ich využitie na regeneráciu kože, či transfer liečiva. O tom možno niekedy nabudúce. Realizovať takéto významné vedecké projekty si určite vyžaduje neustálu zaangažovanosť v získavaní a riešení rôznych (európskych) projektov. Ako hodnotíte projekt CasProt, aj v tomto kontexte, v závere jeho riešenia?

Môžem konštatovať, že projekt CasProt, ktorého hlavným cieľom bolo posilniť vedeckú kvalitu v oblasti výskumu proteínov, sa aj vďaka výbornej spolupráci s partnerskými univerzitami UZH v Zürichu a TUM v Mníchove, naplnil v plnom rozsahu. Verím, že týmto projektom sme zvyšovanie našej expertízy v oblasti štúdia proteínov ešte len začali a že nadobudnutá vedecká kvalita sa už čoskoro pretaví do úspešného získavania ďalších významných projektov a finančnej podpory, ako aj do konkrétnych a úspešných aplikácií našich výsledkov do praxe.

(UPJŠ KOŠICE)