Mozek, srdce, kosti, hormony... všechno v lidském těle je sestaveno ze základních kamenů jménem bílkoviny. Nový přístup k jejich modelování v tělních tekutinách vyvinul Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR.
Živíme se slanou vodou Pacient má namále. Bílkoviny, konkrétně enzymy v žaludku, se místo trávení potravy pustily do sliznice ve střevech. Musím se poradit s biochemikem, uvědomí si lékař a nechá odebrat vzorky žaludečních šťáv k rozboru. Z výsledků analýz se dozví jaké enzymy se „zbláznily“. Jejich destruktivní činnost může zastavit jen chemický koktejl namíchaný přesně tak, aby zasáhl sabotéry. „Bílkoviny jsme mohli rychle rozpoznat hlavně díky nové metodě,“ pochlubí se lékaři biochemik.
Tato modelová situace je dnes ještě vzdálenou budoucností, ale první krok už máme za sebou.
Cestu k pochopení interakcí bílkovin s ionty solí zahájil Pavel Jungwirth nad mořem. Před lety zkoumal, jaké procesy probíhají na hranici mezi povrchem mikrokapiček vody a vzduchem.
Nyní se svým týmem sleduje rozhraní mezi vodným roztokem a bílkovinami lidského těla. „V nadsázce říkám, že se živíme slanou vodou,“ vysvětluje docent Jungwirth. Kapalina v našem těle je totiž stejně slaná jako oceány v době, kdy před třemi a půl miliardami let vznikal z aminokyselinové „polévky“ život.
Pokud chce biochemik z úvodní modelové situace s pacientem působit na bílkovinu, musí vědět jak. Jedním z důležitých faktorů ovlivňujících vlastnosti bílkovin je přítomnost iontů, které vznikají rozpouštěním solí ve vodě. Odborníci dlouho předpokládali, že vlastnosti bílkovin ovlivňují zejména ionty „plující“ v roztoku okolo proteinů.
Pak ale nastoupila dokonalejší technika v podobě spektroskopů i výkonnějších počítačů a ukázalo se, že to není tak úplně pravda. Vědci proto hledají jiné vysvětlení. Podle jejich hypotézy mohou chování bílkovin ovlivnit ionty pohybující se přímo na povrchu jednotlivých proteinů. Na rozhraní, kde dochází ke kontaktu s vodou.
V tlamě HIV Když si pro ilustraci představíme povrch bílkoviny jako „kůži“, hrála by třemi barvami. Některé části se vody přímo štítí, jiné oblasti jsou elektricky nabité a vodu přitahují, pak existují místa, kde je to tak půl na půl. Vědci proto postupují jako Sherlock Holmes, sbírají jednotlivé důkazy o pohybu iontů na povrchu a popisují tak stále větší plochy „kůže“. Pátrání probíhá ve virtuálním prostoru (více viz text Místo zkumavky obrazce v počítači).
„Postupně chceme sestavit databázi iontů a zmapovat jejich interakce s povrchy bílkovin ve vodním roztoku, k jehož skladbě jsme se inspirovali tělní kapalinou,“ říká docent Jungwirth.
Ukázalo se to jako šťastná volba, protože v člověku kolují především jednoduché atomární ionty jako sodík, draslík nebo chlorid. Ty mají tvar kuliček čili jsou bez vnitřní struktury a díky tomu se v počítači dobře napodobují. Kromě kuličkových se však v těle vyskytují i „placaté“ ionty a při jejich výzkumu odhalili čeští vědci zcela nové jevy. Ploché ionty mají tvar disku. V určitém momentu se dvě „placky“ spojily a ionty se stejným elektrickým nábojem na sebe dosedly. To zcela odporuje všeobecně známému zákonu, podle kterého se částice se stejným elektrickým nábojem odpuzují.
„Vysvětlujeme si to tak, že voda raději rozpouští kuličkovité než diskovité útvary, spotřebuje při tom méně energie. Proto se obě placky navzdory stejným elektrickým nábojům spojují, aby více připomínaly kuličku,“ říká Jungwirth.
S kolegy Janem Konvalinkou a Jiřím Vondráškem se jeho týmu pomocí počítačových simulací podařilo zjistit nové informace o důležitém enzymu viru HIV. Enzym má na svém těle aktivní místo, kudy vstřebává substrát z okolí. Tuto potravu pak rozštípe na kousky.
Dosavadní léky dodávají viru substrát co nejvíce nestravitelný.
„Obrazně řečeno viru jakoby ucpou tlamu,“ říká Jungwirth. Vědci odhalil, že záporně nabitá skupina aminokyseliny aspartátu přímo u tlamy přitahuje sodíkové kationty silněji než draslíkové. Hypotéza, zatím nepotvrzená, předpokládá, že sodík nějakým způsobem brání vstupu substrátu, a účinnost enzymu je proto nižší. Biochemici samozřejmě vědí, že krmení viru ovlivňují soli, ale není jasné, jak to probíhá. „My se snažíme najít molekulární mechanismy interakce solných iontů s bílkovinami,“ vysvětluje docent Jungwirth.
Jedno jídlo denně Jeho tým se zaměřil rovněž na procesy v buněčné membráně. Dochází tam totiž k zajímavému efektu. Buňka pumpuje ven velké množství iontů sodíku. Odhaduje se, že na tuto práci spotřebuje lidské tělo asi třetinu z celkového příjmu energie, tedy jedno jídlo denně.
Usilovným čerpáním vzniká velký nepoměr mezi draslíkem uvnitř buňky a sodíkem za jejími hranicemi. „Proto teď sledujeme, jak ionty těchto solí interagují s membránou,“ říká docent Jungwirth.
Až zmapuje všechny typy interakcí bílkovin a iontů ve vodě, doufá, že biochemikům poskytne nástroj, jak chování proteinů případně měnit. Třeba jako v případě enzymu trávícího místo potravy střevo. Za hodně vzdálený sen pak považuje možnost detailně porozumět vlivu iontů na krystalizaci důležitých proteinů. Pokud se totiž podaří bílkovinu zbavit vody a změnit v krystalky, lze zcela přesně určit jejich strukturu. Tato znalost je pro další manipulaci s bílkovinami velmi důležitá.
Dnes je to ještě spíše hudba budoucnosti, ale biochemici pomalu získávají možnost tlumit, vypínat nebo naopak probouzet činnost proteinů a měnit jejich vlastnosti. Když si uvědomíme, že bílkoviny jsou stavební kameny celého těla, je to představa úžasná i děsivá.
Leč nemalujme čerta na zeď. Dosavadní práci docenta Pavla Jungwirtha nedávno ocenila britská Královská společnost chemiků, která udělila českému vědci Spiersovu cenu. Před ním ji dostalo několik nositelů Nobelovy ceny.
Vědci postupují jako Sherlock Holmes, sbírají jednotlivé důkazy o pohybu iontů
O autorovi| Josef Matyáš, redaktor LN První krok
