Dr Mariusz Jaremko i dr Łukasz Jaremko, laureaci programów START i VENTURES Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, wraz z badaczami z Niemiec, dzięki zastosowaniu nowatorskiej metody badawczej po raz pierwszy zaobserwowali proces rozpadu białka. Poznanie tego mechanizmu może pomóc w pokonaniu m.in. choroby Alzheimera. Wyniki badań opublikował prestiżowy Nature Chemical Biology.
Białka występują we wszystkich organizmach żywych i wirusach. Aby poprawnie funkcjonować, pojedyncze łańcuchy białek zwijają się i łączą, tworząc złożone, trójwymiarowe struktury, które, w dużym uproszczeniu, przypominają skłębione, bożonarodzeniowe łańcuchy choinkowe. Gdy proces „zwijania” białek przebiega prawidłowo, wówczas białka zyskują funkcje biologiczne i dobrze wypełniają swoje zadania. Czasami jednak cząsteczka białka się psuje – rozwija się albo nadmiernie fałduje – i traci poprawny kształt. Białka nie funkcjonują wtedy dobrze i, w niektórych przypadkach, tworzą nierozpuszczalne, toksyczne grudki, które uszkadzają komórki i mogą wywoływać poważne choroby, takie jak m.in. choroba Alzheimera czy Parkinsona.
Jedno z najważniejszych pytań w naukach biologicznych i medycynie brzmi więc: „w jaki sposób białka uzyskują lub tracą swoją trójwymiarową strukturę?”.
Odpowiedzi naukowcy poszukiwali już od dawna, testując różne metody (wykorzystujące ciepło i ciśnienie), dzięki którym można byłoby zaobserwować proces destrukcji białka. Jednak żadna z nich nie przyniosła rezultatu – albo dlatego, że proces rozpadu przebiegał zbyt szybko i nie można było go dobrze uchwycić, albo dlatego, że pośrednie formy, które powstawały podczas procesu rozpadu białka, były zbyt krótkotrwałe.
Zagadkę rozwiązali dopiero badacze z Instytutu Chemii Biofizycznej Maxa Plancka (MPIbpc) i Niemieckiego Ośrodka Chorób Neurodegeneracyjnych (DZNE) w Getyndze we współpracy z naukowcami z Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Uniwersytetu Warszawskiego. Zastosowali oni nowatorską metodę, polegającą na wykorzystaniu niskich temperatur, dzięki której udało im się po raz pierwszy “sfilmować” złożony proces fałdowania białka. Naukowcy uwidocznili – w rozdzielczości atomowej – jak białko postępująco „traci swój kształt”. Jako obiekt badań zostało wybrane białko CylR2, które jest kluczowe dla produkcji toksyny u Enterococcus faecalis, patogenu często występującego w szpitalach, gdzie zakaża zwłaszcza pacjentów ze słabym układem odpornościowym. Ale nie był to jedyny powód, dla którego białko to zainteresowało badaczy. Jakiś czas temu naukowcom pracującym ze Stefanem Beckerem w MPIbpc – współautorem najnowszego odkrycia – udało się wyjaśnić jego strukturę, która wskazuje, że jego trójwymiarowa budowa czyni CylR2 szczególnie obiecującym obiektem badań naukowych. CylR2 jest względnie małym białkiem, składającym się z dwóch identycznych podjednostek. Dało to nam wielką szansę uwidocznienia poszczególnych etapów procesu jego rozwijania się w probówce testowej – mówią chemicy Mariusz i Łukasz Jaremko.
Grupa Stefana Beckera wykonała pierwszy krok: przygotowanie wystarczającej ilości białka w laboratorium. Następnie, dwóch chemików ochładzało białko sukcesywnie od 25°C do -16°C i badało jego formy pośrednie metodą spektroskopii NMR. Osiągnęli oni to, co mieli nadzieję osiągnąć: ich „klip filmowy” ukazuje, w rozdzielczości atomowej, jak białko stopniowo się rozwija. Biolog strukturalny Markus Zweckstetter z Niemieckiego Ośrodka Chorób Neurodegeneracyjnych, współtwórca odkrycia, opisuje dokładnie to, co zachodzi w tym procesie – Wyraźnie widzimy jak białko CylR2 ostatecznie dzieli się na swoje dwie podjednostki. Pojedyncza podjednostka jest początkowo względnie stabilna. Przy dalszym ochładzaniu, białko kontynuuje rozwijanie się i w temperaturze -16ºC jest niezwykle niestabilne i dynamiczne. Ta niestabilna forma białka stanowi zalążek fałdowania i może także „wyzwolić” nieprawidłowe fałdowanie.
Najnowsze odkrycia polskich i niemieckich naukowców mogą pomóc uzyskać głębszy wgląd w to, jak białka przyjmują swoją strukturę przestrzenną i dlaczego formy pośrednie niektórych białek fałdują się nieprawidłowo w przypadku choroby.
Film pokazujący „rozpad” białka
Dr Łukasz Jaremko: ukończył studia w ramach Międzywydziałowych Studiów Interdyscyplinarnych na Uniwersytecie Wrocławskim, gdzie w 2008 roku obronił pracę magisterską w dziedzinie chemii pod opieką dr hab. Piotra Stefanowicza. Studia doktoranckie kontynuował na Uniwersytecie Warszawskim w ramach Międzywydziałowych Interdyscyplinarnych Studiów Doktoranckich (MISDoMP) pod opieką prof. Andrzeja Ejcharta oraz prof. Karola Jackowskiego. Na doktoracie zajmował się strukturą oraz dynamiką makromolekuł, gdzie jako podstawowe narzędzie badawcze wykorzystywał wysokorozdzielczy magnetyczny rezonans jądrowy. Dr Łukasz Jaremko odbył liczne staże zagraniczne, m.in. w The Scripps Research Insttitute w La Jolla (USA) u prof. Kurta Wuethricha (Laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2002 roku), w Instituto Superior Tecnico na Wydziale Chemii Strukturalnej w Lizbonie u prof. Armando Pombeiro, czy na University of Michigan u prof. Tomasza Cierpickiego. Od 2009 roku współpracuje z badaczami z Max Planck Institute for Biophysical Chemistry w Getyndze, Niemcy. Jest laureatem programów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: START (2010), VENTURES (2010) i STYPENDIA KONFERENCYJNE (2010). Obecnie związany z Wydziałem Chemii UW.
Dr Mariusz Jaremko: ukończył studia w ramach Międzywydziałowych Studiów Interdyscyplinarnych na Uniwersytecie Wrocławskim, gdzie w 2008 roku obronił pracę magisterską z chemii pod opieką dr hab. Piotra Stefanowicza. Studia doktoranckie kontynuował w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie pod opieką prof. Andrzeja Ejcharta. Na doktoracie zajmował się strukturą oraz dynamiką makromolekuł, gdzie jako podstawowe narzędzie pracy badawczej wykorzystywał wysokorozdzielczy magnetyczny rezonans jądrowy (NMR). Dr Mariusz Jaremko odbył liczne staże zagraniczne, m.in. w The Scripps Research Insttitute La Jolla (USA) u prof. Kurta Wuethricha (Laureata Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2002 roku), czy na University of Michigan u prof. Tomasza Cierpickiego. Od 2009 roku współpracuje z badaczami z Max Planck Institute for Biophysical Chemistry w Getyndze, Niemcy. Jest laureatem programów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: START (2010), VENTURES (2010) i STYPENDIA KONFERENCYJNE (2010). Obecnie związany z Instytutem Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie.
Kontakt prasowy:
Dominika Wojtysiak, Fundacja na rzecz Nauki Polskiej: tel. 022 845 95 41, 698 931 944, dominika.wojtysiak@fnp.org.pl