Článok je súčasťou rubriky Veda, výskum – naša šanca.
Príroda ako inšpirácia
Príroda je fascinujúci tvorca. Vývoj organizmov trvá milióny rokov. Počas tejto doby sa živé organizmy menia a prispôsobujú svojmu prostrediu. Tento proces, známy ako prirodzený výber, zabezpečuje, že najefektívnejšie formy života prežívajú a množia sa. Je možné tento proces vedome zopakovať a dokonca urýchliť v laboratóriu? Vďaka pokročilým metódam molekulárnej biológie už túto možnosť dnes máme.
Ako proteíny poháňajú bunku aj priemysel
Proteíny, známe aj ako bielkoviny, sú špecializované molekuly, ktoré zabezpečujú životné procesy a fungovanie buniek. Predstavme si proteíny ako malé roboty, ktoré vykonávajú v bunkách rôzne úlohy.
Niektoré z nich sú enzýmy, ktoré urýchľujú chemické reakcie, čím zabezpečujú, že bunkové procesy prebiehajú rýchlo a efektívne. Iné proteíny, ako protilátky, chránia telo tým, že bojujú proti škodlivým vírusom a baktériám.
Môžeme spomenúť ešte všeobecne známy kolagén, ktorý poskytuje pevnosť a pružnosť koži a tkanivám. Ten je príkladom proteínu so stavebnou funkciou.
Ak chceme s proteínmi pracovať a použiť ich mimo ľudského tela, napríklad v medicíne ako liečivá alebo v priemysle na technologické aplikácie, vo väčšine prípadov je potrebné tieto molekuly upraviť.
To znamená, prispôsobiť ich tak, aby si zachovali svoju funkciu aj v nami vytvorených – umelých – podmienkach, mimo prirodzeného prostredia organizmu. Ide však o veľmi citlivé zmeny a procesy – aj malá úprava môže výrazne ovplyvniť to, ako proteín funguje. Efektívny prístup na úpravu proteínov nám poskytujú metódy riadenej evolúcie.
Evolúcia v skúmavke
Riadená evolúcia je inovatívna technika, ktorá vedcom umožňuje napodobniť proces prirodzeného výberu priamo v laboratóriu. Tento prístup umožňuje vytvárať a podľa potreby vylepšovať proteíny tak, aby boli lepšie prispôsobené na konkrétne aplikácie v medicíne a priemysle.
Ako to funguje? Celý proces začína génom, ktorý je uložený v molekule DNA a nesie genetickú informáciu určujúcu, ako sa v bunkách tvoria proteíny. Tento gén je „návodom“ na zostavenie proteínu. Ak tento „návod“ zmeníme tým, že do molekuly DNA zavedieme určitú zmenu, mutáciu, na konci procesu získame proteín, ktorý môže mať oproti pôvodnej molekule odlišné vlastnosti.
Je dôležité poznamenať, že hoci sa mutácie často spájajú s negatívnymi dopadmi na organizmus, mutácie DNA môžu viesť aj k pozitívnym zmenám, ktoré organizmu poskytujú určitú výhodu. My samozrejme hľadáme proteíny s pozitívnymi zmenami.
Môžeme si to priblížiť na príklade receptu na tortu. Predstavme si DNA ako recept, ktorý obsahuje presný postup a ingrediencie potrebné na prípravu torty. Proteín je výsledná torta – produkt, ktorý vznikne, keď sa recept (DNA) použije pri príprave.
Ak dôjde v recepte (DNA) k mutácii, je to, akoby sme zmenili niektorý krok alebo ingredienciu v recepte. Táto zmena môže spôsobiť, že výsledná torta bude odlišná. Napríklad, ak v recepte použijeme menej cukru, torta bude menej sladká, čo jemne zmení jej chuť, ale stále si zachová svoj tvar a použitie a dokonca bude zdravšia.
Ak by sme však zásadne zmenili návod, napríklad namiesto hodiny by sme tortu piekli iba 20 minút, torta sa neupečie, a teda bude nepoužiteľná. Podobný vplyv na proteín majú mutácie v DNA.
Pri procese riadenej evolúcie sa využívajú malé zmeny v DNA, ktoré vedú k jemným úpravám vo výslednom proteíne. Tento proces si môžeme predstaviť ako sériu krokov. Prvý krok pozostáva z prípravy tisícov pozmenených „receptov“, t. j. mutovaných génov, potrebných na vytvorenie príslušných proteínov. Výsledkom tohto kroku je príprava veľkého množstva nových génov.
Následne tieto varianty génov vložíme do hostiteľských organizmov, ako sú baktérie alebo kvasinky, ktoré dokážu podľa daných génov vyprodukovať nové proteíny. Vo finálnom kroku vyprodukované proteíny otestujeme a vyberieme tie, ktoré spĺňajú požadované vlastnosti. Opakovaním uvedeného procesu môžeme z veľkého množstva nových proteínov vybrať iba tie s najlepšími vlastnosťami.
Metóda riadenej evolúcie tak predstavuje spôsob, akým vedci dokážu „prerobiť“ molekuly v laboratórnych podmienkach, aby získali proteíny s novými a jedinečnými funkciami. Tento prístup je imitáciou prirodzenej evolúcie, avšak s jedným dôležitým rozdielom: vedci môžu meniť vlastnosti proteínov v priebehu týždňov, zatiaľ čo v prírode sa tento proces deje v priebehu miliónov rokov.
Jednou z výhod riadenej evolúcie je aj to, že na rozdiel od tradičných prístupov nie je potrebné poznať štruktúru proteínu. Stačí, ak otestujeme funkciu každého nového variantu, čo výrazne urýchľuje celý proces vývoja nových proteínov. Ak by sme to chceli zhrnúť do jednej vety, cieľom riadenej evolúcie proteínov je rýchlo produkovať množstvo rôznych variantov určitého proteínu a vybrať ten najlepší.
Od medicíny po životné prostredie
V roku 2018 bola za objav a zdokonalenie riadenej evolúcie udelená Nobelova cena za chémiu americkej vedkyni a priekopníčke tejto techniky inžinierke Frances Arnold. Jej prístup inšpiroval mnohé laboratóriá po celom svete. Vďaka svojmu veľkému potenciálu sa riadená evolúcia rýchlo stala bežným nástrojom najmä v biotechnológii a farmaceutickom priemysle.
V súčasnosti sa prostredníctvom danej metódy podarilo vyvinúť molekuly, ktoré sa využívajú ako nové liečivá, ale aj pri odstraňovaní škodlivých látok z prostredia, v bioenergetike, či pri vývoji nových materiálov.
Hlavným cieľom riadenej evolúcie v biochemickom výskume je vytvárať proteíny so zlepšenými alebo dokonca úplne novými funkciami. Najčastejšie ide o úpravy enzýmov, aby boli účinnejšie, fungovali aj v extrémnych podmienkach, alebo urýchľovali chemické reakcie, ktoré sa v prírode bežne nevyskytujú.
V medicíne a farmácii slúži riadená evolúcia na vývoj nových terapeutických látok alebo na úpravu už existujúcich liekov. Cieľom je zlepšenie stability a účinnosti proteínových liečiv, ako aj zníženie rizika vedľajších účinkov, čím sa vlastne zvyšuje bezpečnosť a účinnosť liečby.
V priemyselnej biotechnológii sa riadená evolúcia pomerne často využíva na vytvorenie účinných biologických katalyzátorov, ktoré urýchľujú výrobné procesy. Výsledkom sú ekologicky šetrnejšie a nákladovo efektívne výrobné postupy, ktoré minimalizujú spotrebu energie a produkujú menej odpadu.
V energetickom sektore nachádza riadená evolúcia uplatnenie pri vývoji mikroorganizmov schopných efektívne produkovať biopalivá alebo enzýmy schopné rozkladať rastlinný materiál, ktorý potom slúži ako zdroj bioenergie. Jedným z dôležitých aspektov použitia metód riadenej evolúcie je jej použitie pri odstraňovaní škodlivých látok zo životného prostredia, pri tzv. bioremediácii.
Ide o proces, v ktorom geneticky upravené mikroorganizmy dokážu odbúravať toxické látky, a tak čistiť kontaminované prostredie. Okrem toho je možné vytvoriť enzýmy, ktoré urýchľujú ekologické reakcie, čím nahrádzajú klasické chemické procesy a znižujú ekologickú stopu. V laboratóriách sa procesom riadenej evolúcie už podarilo vyvinúť enzýmy schopné rozkladať plasty, pesticídy, ako aj iné toxické chemikálie.
V neposlednom rade riadená evolúcia otvára dvere aj k produkcii inovatívnych biologických materiálov, keďže proteíny navrhnuté tak, aby sa viazali na špecifické povrchy, môžu viesť k tvorbe nových biomateriálov s unikátnymi fyzikálnymi či chemickými vlastnosťami.
Riadená evolúcia na Univerzite Pavla Jozefa Šafárika
V laboratóriách Centra interdisciplinárnych biovied Technologického a inovačného parku Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach (CIB TIP UPJŠ) používame riadenú evolúciu najmä na vývoj proteínov, ktoré môžu prispieť k ochrane životného prostredia a podpore liečby rôznych ochorení.
V rámci našich projektov úzko spolupracujeme so skupinami prof. Jiřího Damborského a prof. Zbyňka Prokopa z Loschmidtových laboratórií na Masarykovej univerzite v Brne. Naším cieľom je vyvinúť dehalogenázy, čo je skupina enzýmov dôležitých pri odstraňovaní škodlivých halogénovaných zlúčenín z prostredia.
V oblasti vývoja nových liečiv sa sústreďujeme na trombolytiká, lieky, ktoré by mohli výraznejšie pomôcť pri liečbe krvných zrazenín.
Riadená evolúcia predstavuje inovatívny prístup s potenciálom meniť nielen medicínu a priemysel, ale aj náš pohľad na ochranu životného prostredia. Vďaka rýchlemu rozvoju technológií a automatizácie sa riadená evolúcia stáva stále prístupnejšou a účinnejšou metódou na riešenie súčasných globálnych výziev.
Mgr. Mária Tomková, PhD.
- pracuje v Centre interdisciplinárnych biovied (CIB; https://cib-center.org/) Technologického a inovačného parku Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach (UPJŠ). CIBje interdisciplinárne centrum zamerané na aplikovaný výskum na prieniku biológie, chémie, fyziky, matematiky a informatiky, s dôrazom na prenos vedeckých poznatkov do priemyselnej praxe.
- pôsobí v oblasti proteínového inžinierstva a riadenej evolúcie
- kľúčové oblasti výskumu: metódy riadenej evolúcie (ribozómový a kvasinkový displej), pokročilé techniky molekulárnej biológie, vývoj trombolytík a výskum membránových proteínov GPCR (G-protein coupled receptors).
- výskumné aktivity sú podporované grantmi: z Plánu obnovy (projekt číslo 09I01-03-V04-00041), VEGA (číslo 1/0074/22) a CasProt (EU H2020-WIDESPREAD-05-2020 grant No. 952333).
Foto: MVDr. Ivana Pilipčincová, PhD.