Hľa, ribozóm!

Ocenenie je tretie v poradí z tých, ktoré opisujú komplikovanú cestu od chromozómov až ku bielkovinám. A zároveň ilustrujú, ako Darwinova evolučná teória funguje na molekulárnej úrovni. 

Trilógia sa začala v roku 1962 slávnou Nobelovou cenou pre Jamesa Watsona, Francisa Cricka a Mauricea Wilkinsa za vyriešenie štruktúry dvojitej špirály DNA. Jej pokračovaním bola Nobelova cena pre Roberta D. Kornberga za objasnenie prenosu informácie z DNA na RNA s využitím röntgenovej štruktúrnej analýzy v roku 2006. Nuž a čerství laureáti rovnakou metódou detailne ukázali, ako RNA na ribozómoch syntetizuje proteíny. A tak dnes vieme oveľa viac o tom, ako sa relatívne jednoduchý DNA kód v konečnom dôsledku transformuje na niečo také zložité, ako sú nielen svaly, kosti, koža alebo sluch, chuť a čuch, ale aj myslenie a reč.

Každému je známy ten fundamentálny (a zároveň zjednodušený) poznatok z biológie, že genetická informácia obsiahnutá v DNA sa prenáša na RNA, ktorá na jej základe produkuje bielkoviny, z ktorých sa skladá všetko živé na tejto planéte. Aby však tento, na pohľad jednoduchý koncept spoľahlivo a efektívne fungoval, je potrebná nesmierne komplexná biochemická mašinéria. 

Proteíny plnia viacero dôležitých až nenahraditeľných funkcií. Sú nielen stavebnými jednotkami svalov (myozín), ale aj enzýmami urýchľujúcimi chemické reakcie (inzulín), nosičmi dopravujúcimi kyslík do tkanív (hemoglobín) alebo protilátkami bojujúcimi s vírusmi (gamaglobulín). Napriek svojej univerzálnosti sú všetky bielkoviny vytvorené z rovnakého súboru „iba“ 20 rôznych aminokyselín. Tie sú vzájomne pospájané pomerne silnou (peptidovou) väzbou do dlhých reťazcov ako perly na náhrdelníku, pričom ich dĺžka sa pohybuje v širokom rozmedzí od desať až do desiatok tisícov aminokyselín. Napríklad taký inzulín je oveľa „kratší“ a menší ako hemoglobín. Vieme to jednak z ich zloženia na základe chemickej analýzy, ale taktiež to vidíme a doslova na vlastné oči – na ich „fotkách“. Tie totiž dokáže vyrobiť už spomínaná röntgenová (RTG) štruktúrna analýza. 

A čože je to za foťák? V podstate ide o fyzikálnu metódu využívajúcu rozptyl röntgenového žiarenia, ktorému sú vystavené monokryštály skúmaných zlúčenín. Počas ich ožarovania sa na vhodné médium zaznamenáva počet a umiestnenie „tieňov“ vo forme tmavých bodov (difrakčný obrazec), z ktorých nakoniec matematickým spracovaním vzíde skutočná trojrozmerná štruktúra molekuly. V začiatkoch sa na detekciu miesta dopadu rozptýlených lúčov po prechode kryštálom používal fotografický film, dnes ho nahrádzajú rýchle a spoľahlivé CCD detektory (ktoré sú,  mimochodom, predmetom tohtoročnej Nobelovej ceny za fyziku). 

Úspech tohto spôsobu „fotenia“ molekúl je však priamo úmerný kvalite kryštálov určených na meranie. Musia byť perfektné – čiže mať istú minimálnu veľkosť, vysokú čistotu a pravidelný tvar bez akýchkoľvek kazov. Nuž a práve tu je najväčší kameň úrazu. Proteíny totiž všeobecne kryštalizujú len veľmi neochotne a čím sú väčšie a komplexnejšie, tým je to s nimi z tohto pohľadu horšie. Niekedy skoro nemožné.

 A presne to si o ribozómoch – veľkých bunkových „továrňach“ produkujúcich bielkoviny, mysleli aj kryštalografi zhruba pred tridsiatimi rokmi. V tom čase sa totiž považovalo takmer za vylúčené pripraviť z nich kryštál vhodný na RTG analýzu. Izraelčanka Ada E. Yonath z Weizmann Institute of Science v Rehovote však mala, napriek všeobecnému skepticizmu, iný názor. 

Ribozóm je jedným z najkomplikovanejších známych proteínových/RNA komplexov. Skladá sa totiž z dvoch častí – malej a veľkej podjednotky. Menšia podjednotka ľudského ribozómu obsahuje jednu molekulu RNA (na obrázku oranžová) obkolesenú 32 bielkovinami (modré). Tá väčšia pozostáva až z troch RNA molekúl (oranžové) a 46 proteínov (zelené) navôkol. Dokopy teda ide  o tisíce nukleotidov a aminokyselín, ktoré sú samy zložené z desaťtisícov atómov. Nuž a Ada Yonath bola odhodlaná zistiť presné umiestnenie každého jedného z nich. Inými slovami, chcela poriadnu „fotku“ ribozómu, ostrú až do najmenších možných detailov. 

Ako zdroje potrebného biologického materiálu si zvolila (aj) halofilné baktérie z Mŕtveho mora (písali sme o nich v .týždni 47/2009). Nie však z vlastenectva, ale kvôli predpokladu, že ich ribozómy musia byť mimoriadne stabilné, keďže prežívajú v extrémnych podmienkach. A teda asi budú lepšie kryštalizovať. Mala pravdu – a ako prvej na svete sa jej podarilo pripraviť kryštály veľkej podjednotky bakteriálneho ribozómu. 

Bol to obrovský úspech, hoci kryštály ešte zďaleka neboli dokonalé. Ada Yonath však bola vytrvalá a po ďalších dvadsiatich (!) rokoch výskumu konečne získala perfektnú „fotku“ ribozómu s presne identifikovaným každým jedným atómom. Medzičasom však už bolo zainteresovaným vedcom jasné, že sa to dá, a tak sa do náročnej problematiky intenzívne vložili ďalší. 

A bolo tam čo robiť. Aj napriek čoraz lepšej kvalite kryštálov bolo totiž nutné vyriešiť vážny problém týkajúci sa interpretácie údajov získaných počas RTG experimentu. (Pre fajnšmekrov: išlo o určenie fázového uhla jednotlivých difrakcií). A bol to práve Američan Thomas A. Steitz z Yale University v USA, ktorému sa to nakoniec podarilo. V roku 1998 ako prvý určil a publikoval kryštálovú štruktúru veľkej podjednotky ribozómu. Výsledok síce nápadne pripomínal zahmlený obrázok a pre nízke rozlíšenie sa na ňom ešte nedali rozoznať jednotlivé atómy, ale už bolo jasne vidieť dlhé reťazce ribozomálnej RNA. A to bol prevratný objav.

Následne sa začali neľútostné preteky vedcov o získanie čo najkvalitnejších kryštálov a  najostrejších „fotiek“ ribozómu. Nuž a ich neoficiálnym víťazom sa stal v Indii narodený Brit Venkatraman Ramakrishnan z Laboratory of Molecular Biology v Cambridge. Na základe RTG analýzy svojich kryštálov totiž prišiel na to, čo bolo dlhodobou záhadou – prečo sú ribozómy pri syntéze proteínov (takmer) neomylné. 

Dôvod? Zjednodušene povedané, objavil existenciu akéhosi molekulárneho kontrolóra, ktorý neustále a opakovane preveruje správnosť vznikajúceho reťazca bielkoviny. Ak niečo nesedí, nekompromisne zasiahne. Robí to pritom tak precízne, že chyba nastane v priemere len pri jednej zo stotisíc aminokyselín. A to, prosím, pri rýchlosti vzniku 20 peptidových väzieb za sekundu!

Na dôvažok Thomas Steitz ešte zistil, že konkrétne chemické reakcie zabezpečuje veľká podjednotka ribozómu, keďže sa mu podarilo zachytiť a vizualizovať ich jednotlivé kľúčové momenty.

Základný výskum motivovaný čírou zvedavosťou môže, ako sa to často stáva, viesť k užitočným praktickým aplikáciám. Týka sa to aj tohtoročnej Nobelovej ceny za chémiu. Je totiž ocenením za vedecké výsledky vedúce priamo k novým a účinnejším antibiotikám. Ľudstvo ich dnes síce má k dispozícii celý arzenál, pričom mnohé z nich likvidujú baktérie prostredníctvom blokovania ich ribozómov. Problémom je však neustále narastajúca rezistencia baktérií na používané antibiotiká a preto treba vyvíjať ďalšie. 

Všetci traja spomínaní laureáti vyprodukovali kryštálové štruktúry, z ktorých je zrejmé, ako sa rôzne antibiotiká viažu na ribozómy. Niektoré z nich napríklad blokujú „tunel“, v ktorom sa syntetizujú proteíny, ďalšie bránia vzniku peptidovej väzby medzi aminokyselinami a iné zase kazia prenos DNA/RNA kódu do „reči“ bielkovín. A tieto ich zásadné objavy už dnes využíva niekoľko farmaceutických spoločností na vývoj nových druhov antibiotík.

Pochopenie a objasnenie štruktúr a funkcií ribozómov je úžasný intelektuálny výkon, ktorý má navyše okamžitý a enormný význam pre celé ľudstvo. Objavy Ady E. Yonath, Thomasa A. Steitza a Venkatramana Ramakrishnana sú dôležité nielen na hlboké pochopenie kľúčových aspektov života, ale v prípade potreby aj  na jeho záchranu. Veľké objavy a zaslúžená Nobelova cena.