Dziwna geometria i klatki białkowe, czyli co łączy wirusy z grami RPG

Dziwna geometria i klatki białkowe, czyli co łączy wirusy z grami RPG

  • Kierownik projektu: prof. dr Jonathan Gardiner Heddle, Uniwersytet Jagielloński
  • Tytuł projektu: Produkcja nanoobiektów o geometrii niewystępującej w przyrodzie
  • Konkurs: SYMFONIA 4, ogłoszony 15 grudnia 2015 r.
  • Panel: NZ 1
Zdjęcie różnobarwnych, wielościennych kostek do gry

Podczas gdy rolą DNA jest przenoszenie „instrukcji” formowania się życia, to białka odpowiadają za jej realizuję. Przeprowadzają nieomal wszystkie reakcje biochemiczne. Zdając sobie z tego sprawę, naukowcy podejmują wysiłki mające na celu otrzymanie sztucznych odpowiedników tych naturalnych nanomaszyn. Pozwoli to na uzyskanie m.in. enzymów o nieznanych do tej pory własnościach katalitycznych, nowych materiałów czy systemów transportu leków. Jedną z cech mających wpływ na właściwości białek jest ich struktura, a co za tym idzie - również kształt. Jednym z najbardziej przydatnych kształtów białek jest „sfera” z pustym wnętrzem przypominająca piłkę futbolową lub kostkę do gry RPG w skali mikro (średnica takiej białkowej „sfery” to zazwyczaj kilkadziesiąt nanometrów). Sfery białkowe zbudowane są z wielu kopii jednego lub kilku białek, stąd geometrycznie nie są one idealnymi sferami a raczej, podobnie jak piłka albo kostka do gry RPG, składającymi się z połączonych razem wielokątów (w przypadku piłki są to pięciokąty otoczone przez sześciokąty) wielościanami wypukłymi.

Prawdopodobnie najważniejszą klasą białek występujących w przyrodzie, które przyjmują formę wielościanów wypukłych są zewnętrzne otoczki wirusów, zwane kapsydami. Kapsydy przechowują w swoim wnętrzu informację genetyczną zapisaną w RNA bądź DNA. Służą one wirusom do wnikania do wnętrza komórek, gdzie uwalniają materiał genetyczny, który może zostać namnożony lub wbudowany do DNA gospodarza. Wyprodukowanie sztucznych odpowiedników takich kapsydów umożliwiłoby stworzenie „szytych na miarę” transporterów użytecznych np. w terapii genowej. Mogą one również znaleźć zastosowanie przy bezpieczniejszej produkcji szczepionek (używano by jedynie nietoksycznych białek patogenów, które przytwierdzano by do sfer białkowych). Innym zastosowaniem klatek białkowych jest wykorzystanie ich wnętrza, które może zostać zaprojektowane tak, aby przeprowadzało określoną reakcję biochemiczną. Możliwości zastosowań sfer jest zapewne dużo więcej.

Aby otrzymywać takie struktury, musimy zrozumieć, jak poszczególne cegiełki białkowe dopasowują się do siebie, budując kompletny wielościan. Oczywiście istnieją pewne reguły geometryczne ograniczające ilość możliwych do osiągnięcia kształtów. W przypadku brył, gdzie każda ze ścian jest takim samym wielokątem foremnym, możliwe jest otrzymanie tylko pięciu wielościanów. Są to tak zwane wielościany foremne lub bryły platońskie np. sześcian, dwunastościan czy dwudziestościan foremny (znany graczom RPG jako kostka do gry). Nieco bardziej skomplikowane reguły pozwalają na skonstruowanie 13 wielościanów półforemnych (brył archimedesowych) oraz 92 wielościanów Johnsona. Daje to razem 110 różnych kształtów i jest to tyle, na ile pozwala matematyka (z wyłączeniem pryzmatów).

Ograniczenia te pochodzą z zasad geometrii, według których wszystkie wielokąty muszą do siebie idealnie pasować. Czy tę zasadę można złamać? Gdyby uwzględnić elastyczności kształtu cząsteczek białek stanowiących ściany bryły, to czy możliwe jest skonstruowanie nowych rodzajów wielościanów? Odpowiedź na te pytania wydaje się być twierdząca. Wykorzystując 11-boczne białko TRAP powinno się udać zbudować 11-ścienny wielościan. Jakkolwiek szczegóły tej struktury ciągle wymagają potwierdzenia, w naszych badaniach wykazaliśmy, że gdy białka TRAP znajdują się w szczególnym położeniu mogą stworzyć razem wielościan o średnicy około 20 nm, nazywany klatką TRAP. Ten nowatorski sposób łączenia białek może doprowadzić do opracowania nowych bionanostruktur nigdy do tej pory nieobserwowanych w przyrodzie. Obecnie, przy pomocy mikroskopii elektronowej, staramy się poznać strukturę tych i innych białek z większą dokładnością. Chcemy również sformułować geometryczne zasady rządzące formowaniem się struktur białkowych.

Ciekawa jest również sama metoda łączenia ze sobą białek TRAP. Naturalnie występujące klatki białkowe są zazwyczaj utrzymywane przez słabe wiązania wodorowe oraz oddziaływania hydrofobowe. Klatka TRAP wydaje się być jednak utrzymywana w całości przez znacznie silniejsze wiązania kowalencyjne nadające jej niezwykłą wytrzymałość. Co ciekawe, wiązania te mogą zostać utworzone jedynie w obecności klastrów złota. Każdy taki klaster zawiera tylko kilkadziesiąt atomów (1,4 nm średnicy). Wbrew powszechnej opinii o chemicznej obojętności złota badania pokazują, że klastry są nad wyraz reaktywne. Przyczyny tej reaktywności są ciągle nieznane, ale mogą mieć coś wspólnego ze sposobem, w jaki atomy złota są ze sobą połączone. Zastosowanie klastrów złota do łączenia białek w większe struktury jest całkowicie nowatorskim podejściem. W przyszłości mogą one być używane jako narzędzie do stworzenia nowych, niedostępnych wcześniej kształtów białek.

Jak można wykorzystać te odkrycia? Wyniki sugerujące istnienie nowych rodzajów kształtów dostępnych dla struktur białkowych oraz nowe formy oddziaływań białko-złoto mają szeroki zakres zastosowań. Użyteczność klatek TRAP wynika z faktu, że z jednej strony są one bardzo stabilne, a z drugiej - we wnętrzu komórki łatwo rozpadają się na części składowe. Stwarza to teoretyczną możliwość umieszczenia wewnątrz klatki leku i użycia jej do bezpiecznego dostarczenia go do wnętrza komórki, gdzie zostaną następnie uwolnione. Pomyśl o tym wszystkim, gdy następnym razem będziesz rzucać kością do gry.


Prof. dr Jonathan Gardiner Heddle

Jonathan Gardiner Heddle pozuje na tle budynku Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego

Ukończył studia farmaceutyczne na University of Nottingham, a następnie uzyskał tytuł doktora biochemii, pracując pod kierunkiem profesora Tony’ego Maxwella, na University of Leicester. W tym ośrodku badał bakteryjną gyrazę DNA oraz zainteresował się nanonauką; gyraza jest bowiem doskonałym przykładem zaawansowanej maszyny w nanoskali. Po krótkim okresie badań podoktorskich w tym samym laboratorium wyjechał do Japonii (jako stypendysta Japan Society for the Promotion of Science) na staż w laboratorium biologii strukturalnej profesora Jeremy’ego Tame’a na Yokohama City University. Wspólnie z prof. Tame’em oraz prof. Ichiro Yamashitą (Nara Institute of Science and Technology) poświęcił się w głównej mierze badaniom na tematy związane z bionanonauką, w tym pracom nad wytworzeniem samoorganizującej się nanorurki białkowej. W 2008 objął kierownictwo laboratorium w Tokyo Institute of Technology, kontynuując przy tym badania nad białkiem TRAP. Od 2010 r. kierował projektem naukowym w RIKEN Institute w Wako, któreg zasięg, dzięki wykorzystaniu techniki tzw. DNA origami, obejmował także nanotechnologię DNA; z badaniami tymi związana jest też publikacja pracy, w której po raz pierwszy zademonstrowano tworzenie klatki TRAP.

W 2015 r. powrócił do Europy, by jako profesor nadzwyczajny rozpocząć pracę w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. W Krakowie zajmuje się tworzeniem ośrodka doskonałości w zakresie bionanonauki, stawiającego sobie za cel wypracowywanie złożonych rozwiązań z dziedziny nanorobotyki, o szerokim zakresie zastosowań, przede wszystkim w terapii nootropowej. Kontynuuje także badania nad gyrazą DNA i pokrewnymi enzymami – prace istotne ze względu na rosnące zagrożenia związane z rosnącą odpornością szczepów bakterii na antybiotyki. Interesuje się także biologią oraz chemią starzenia i ma nadzieję w przyszłości poszerzyć zakres swoich badań o te tematy.