Vědci z Masarykovy univerzity a Mezinárodního centra klinického výzkumu (ICRC) v Brně odhalili strukturu enzymu luciferáza, který dává živým tvorům schopnost svítit. Fungování mořských luciferáz přitom bylo donedávna záhadou. Výzkumníci teď dokáží enzym rozsvítit ještě intenzívněji a vpravit ho do lidské buňky, kde jim pomáhá zkoumat molekuly. Zpravodajský portál BRŇAN o tom informoval mluvčí Fakultní nemocnice u svaté Anny Jiří Erlebach.
V hlubinách oceánů to svítí ostošest
Bioluminiscence, tedy schopnost produkce viditelného světla živými organismy, je jedním z nejkrásnějších fenoménů, který fascinuje lidstvo po staletí. Zatímco suchozemských světélkujících tvorů moc nenajdeme, v temných hlubinách oceánů se to doslova hemží nejrůznějšími organismy, které produkují světlo nejrůznějších barev. Umožňují jim to luciferázy, tedy enzymy, které živým tvorům dávají schopnost produkce světla.
Krevetí luciferáza je nejzářivější. A výzkumníci z Brna už ví, jak funguje
Odhalit podstatu tohoto enzymu se desítky let pokoušeli vědci po celém světě, podařilo se to ale až teprve nedávno výzkumníkům z Brna. Jednu z nejmenších, ale zároveň nejzářivějších enzymových celebrit – nanoluciferázu – izolovali z hlubokomořské krevety. „Když dravá ryba dostane na tuto krevetu chuť, ona se brání vystříknutím vysoce viskózního sekretu, který se záhy promění v ohromující světelnou show. Zatímco je predátor zaskočený tímto podvodním ohňostrojem, kreveta získává cenný čas, aby se zachránila,“ uvedl Erlebach.
Luciferázy se uplatní při terapii nádorů
Díky své skutečně malé velikosti se nanoluciferáza těší velké oblibě. A vědci a inženýři ji ve světě používají pro neinvazivní zobrazování nejrůznějších biologických dějů. V posledních letech se luciferázy začínají též uplatňovat ve fotodynamické terapii nádorových onemocnění. „Nicméně i přes velkou oblibu nanoluciferázy dosud nebyl znám molekulární princip, jak tato nejzářivější luciferáza produkuje světlo,“ vysvětlil vedoucí výzkumníků Martin Marek z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity.
Díky modifikaci může enzym svítit ještě intenzivněji
„V laboratoři se nám podařilo biochemicky připravit nanoluciferázu v komplexu s luciferinovými molekulami a odhalit atomární struktury těchto makromolekulárních komplexů. Tak jsme vizualizovali klíčové kroky nanoluciferázové reakce, a pochopili tak její reakční mechanismus na molekulární úrovni, tedy podstatu, jak nanoluciferáza svítí. A díky tomu jsme pak mohli v molekule nanoluciferázy provést strukturní změny, které vedly k jejímu katalytickému vylepšení,“ dodali výzkumníci Jana Horáčková a Daniel Pluskal. Tento maličký enzym tak díky brněnským vědcům dokáže svítit ještě intenzivněji. Výzkum tým publikoval v časopise Nature Communications.
Svítící lidské buňky: Posun ve výzkumu nádorů i nových léků
Na to, jak efektivitu upravené luciferázy změřit a vyhodnotit, přišel Tomáš Bárta, vedoucí výzkumné skupiny na Lékařské fakultě Masarykovy univerzity. „Ve spolupráci s Martinem Markem jsme získali sekvenci modifikovaného genu pro nanoluciferázu, tuto sekvenci jsme začlenili do lidských buněk. Pomocí námi vyvinutého přístroje jsme podrobně zkoumali aktivitu této upravené luciferázy. A výsledky nám ukázaly, že modifikovaná forma je mnohem aktivnější,“ vysvětlil Bárta.
Objev je významný vědecký milník
Objev jako významný milník otevírá nové možnosti využití v širokém spektru aplikací. Získané poznatky přispějí k lepšímu porozumění mechanizmů bioluminiscence a mají potenciál pro vývoj citlivějších bioluminiscenčních reporterů. Obrovským krokem posune dopředu další výzkum lidských buněk, testování nových léčiv, nové poznatky najdou uplatnění i v nádorové biologii nebo při studiu exprese genů. „Genetické modifikace jsme mezi sebou porovnávali, hledali tu, která nejefektivněji přemění luciferin na světlo, tedy bude produkovat nejvíce světla z daného množství substrátu,“ dodal Bárta.
Díky svítícímu enzymu můžou sledovat metastázy
Využití nanoluciferázy je však mnohem širší. „Nanoluciferáza se využívá třeba i při neinvazivním monitorování jednotlivých buněk či virů. Díky ní můžeme vidět, jak se v organismu šíří metastázující buňky nebo jak jím prostupuje virová infekce. Biologické procesy tak můžeme monitorovat v čase i prostoru,” doplnil Marek.
Levné a dostupné řešení i pro zbytek vědeckého světa
Bártův výzkumný tým si však výsledky výzkumu nenechal pro sebe a představil open-source platformu pro konstrukci univerzálního, levného, lehkého a přenosného luminometru LuminoCell, který lze vytisknout pomocí 3D tiskárny. Přístroj dokáže současně měřit signál luciferázy v šesti Petriho miskách. A proces to není vůbec drahý. Náklady na sestavení luminometru jsou 40 amerických dolarů, v přepočtu přes 800 korun. „Jeho sestavení zabere zhruba hodinu času,“ upřesnil Bárta. Lze jej využít v různých typech inkubátorů pro kultivaci buněk s tím, že pořídí citlivé detekce v reálném čase.
