Pavienių baltymų tyrimai atskleidžia skirtumus tarp bakterijos ir žmogaus

Žmogus yra sudarytas iš įvairaus tipo ląstelių, kurioms yra būdinga panaši sandara. Jos yra tarsi talpyklos užpildytos organelėmis, baltymais bei nukleorūgštimis ir turi visa tai supančia, iš riebalų molekulių sudarytą, sienelę (Pav. 1). Ši sienelė (plazmine membrana) yra tiesiog prikimšta membraniniais baltymais, kurie veikia kaip vartai tarp ląstelę supančios aplinkos ir jos vidaus, todėl atlieka pagrindinį vaidmenį medžiagų, energijos ir informacijos apykaitoje (Pav. 1). Norint sužinoti kaip veikia šios “molekulinės mašinos” yra labai svarbu išsiaiškinti jų erdvinę formą (struktūrą). Dabar jau pripažįstama, kad taip pat svarbu yra suprasti ir jų formos pokyčius (dinamiką), nes membraniniai baltymai vykdo kelis apibrėžtus judesius jiems leidžiančius atlikti funkciją. Verta paminėti, kad membraninių baltymų dinamikos tyrimai yra atliekami ir Lietuvoje – Molekulinių darinių fizikos skyriaus Biofizikinių tyrimų laboratorijoje Fizinių ir Technologijos Mokslų Centre(FTMC). Nepaisant mokslo pažangos membraninių baltymų formos pokyčių studijos dėl tyrimo metodų ir teorinių modelių trūkumo lieka nesubrendusia mokslo tyrimų sritimi.

Naujas proveržis membraninių baltymų dinamikos studijose buvo pasiektas pavienių molekulių Forsterio rezonansinės energijos pernašos (FRET) mikroskopijos pagalba tiesiogiai stebint Gliutamato transporterio dinamiką [1]. Šie tyrimai atskleidė, kad žmogaus Gliutamato transporterio transportinių dalių judėjimas yra greitesnis nei bakterijų (struktūriškai šios baltymo versijos yra identiškos), o tai yra tiesiogiai susiję su didesniu Gliutamato pernašos į ląstelę greičiu. Papildomai pasitelkti struktūriniai ir kompiuterinio modeliavimo tyrimai patvirtino šiuos atradimus ir papildė juos parodydami, kad žmogaus Gliutamato transporteris, skirtingai nei bakterijų, turi tarpinę “atrakintą”  formą, kurioje daugiau tirpalo gali patekti į tarpą tarp baltymo karkasinės dalies ir transportinių dalių. Šio darbo rezultatai rodo kad vaistai sukurti tyrinėjant bakterijų Gliutamato transporterius, kurie struktūriškai yra labai panašūs į žmogaus, gali visai neefektyviai gydyti žmogaus ligas, nors bakterijas pagydytu puikiai.

 

Šis rezultatas buvo pasiektas dėl 2010 metais įkurto membraninių baltymų struktūrinės dinamikos konsorciumo (MPSDC) pastangų [2]. MPSDC yra skirtas išaiškinti įvairių membraninių baltymų struktūros, dinamikos ir funkcijos sąsajas, bei vystyti ir kurti tam tikslui reikalingus naujus matavimo įrankius, koncepcijas bei cheminius reagentus. Konsorciumo veiklai buvo paskirtas Nacionalinio sveikatos instituto (NIH, JAV) ir Nacionalinio Bendrųjų Medicinos Mokslų instituto (NIGMS, JAV) finansavimas (22.5 milijonai JAV dolerių penkeriems metams, su galimybe pratęsti veiklą dar penkeriems metams). MPSDC jungia 27 tyrėjus iš 17 aukščiausio mokslinio lygio universitetų ir institutų, daugiausiai esančių JAV ir vakarų Europoje. Šio projekto biudžetas ir įtrauktų tyrėjų kiekis parodo kaip brangiai kainuoja aukšto lygio tyrimai ir moksliniai atradimai.

Baltymų kristalizacijos techniniai proveržiai leido pagreitinti baltymų struktūros išsprendimą. Spektroskopiniai biofizikiniai ir matematinio modeliavimo metodai pasiekė tokį taikymo sudėtingoms biologinėms sistemoms lygį, kuris buvo tiesiog neįsivaizduojamas prieš dešimtmetį. Todėl akivaizdu, kad šiuo metu mes stovime ant antrosios kiekybinės biologijos revoliucijos slenksčio, kurio gyvybės mokslų tyrėjams reiktų nepražiopsoti.

 

Šaltiniai:

1.                   Akyuz N. ir kiti. Transport domain unlocking sets te uptake rate of a aspartate transporter. Nature 2015

2.                   Membraninių baltymų struktūrinės dinamikos vartai (MPSDC): http://memprotein.org/

 

 

Dokt. Marijonas Tutkus

BSc. degree of Biophysics (Vilniaus University),

MSc. degree of Biophysics (Copenhagen University),

Biophysical Research Laboratory,

Department of Molecular Compound Physics

Center For Physical Sciences And Technology (FTMC)