Jie nori suprasti, kaip funkcionuoja ląstelės. Jie kuria dirbtines ląsteles bei miniatiūrines laboratorijas ant lusto, imituojančias įvairių žmogaus organų veiklą.
Šiuo metu mokslininkai į savo rankas perėmė ir kai kuriuos evoliucijos procesus. Jie tobulina sudėtingas fermentų molekules, kuria naujus baltymus ir į tokias dirbtines ląsteles jau sugeba įvesti norimus genus arba įvairias sudėtingas molekules, kurias verčia šokti pagal savo dūdelę.
„Dar prieš 50 metų cheminės reakcijos buvo vykdomos kolbose. Vėliau biotechemijos pramonė sukūrė 96-ių ir vėliau 1536-ių šulinėlių reakcijos plokšteles. Reakcijos tūris sumažėjo iki vieno mikrolitro. Tai iš esmės pakeitė chemiją ir biotechnologijas“, – sako biochemikas dr. Linas Mažutis.
Tikisi dar labiau sumažinti genomo iššifravimo kainą
Biologiniai procesai gamtoje ir ląstelėse vyksta itin sparčiai. Pavyzdžiui, fermentas cukraus molekulę suskaido per keletą milisekundžių. Todėl reikėjo ir naujų techninių galimybių, naujų instrumentų bei inovatyvių metodų. Spartesnių kompiuterių ir reakcijų susidarymo produktus registruojančių prietaisų, naudojančių itin trumpus lazerio impulsus.
„Esmė ta, kad tai leidžia naudoti mažesnius reagentų kiekius. Ir tuo pačiu metu galima atlikti labai daug – net tūkstantį reakcijų. Taip sutaupoma ne tik reagentų, bet ir laiko. Tolimesnis žingsnis šioje skysčių evoliucijoje – mikroskysčių technologija, kurią vystome institute. Ji sumažina reakcijų tūrį iki pikolitro, nanolitro“, – pasakoja mokslininkas.
Naudojant šias technologijas, tikimasi itin sumažinti ir viso žmogaus genomo iššifravimo kainą. Tai reiškia, jog kiekvienas žmogus gaus laikmeną su informacija apie savo genų defektus, jam gresiančias paveldimas ligas. Visai neseniai JAV mokslininkas ir tinklaraštininkas Razibas Khanas pranešė, kad iššifravo savo dar negimusio kūdikio genomą, paėmęs placentos mėginį iš nėščios žmonos.
Žmogaus genomo iššifravimo kaina pastaraisiais metais labai sparčiai mažėjo. Ją tikimasi dar labiau sumažinti, naudojant vadinamąsias laboratorijas ant lusto. Tai itin svarbu gydytojams, kurie tokiu būdu galės kiekvienam pacientui parinkti gydymą arba profilaktines priemones, atsižvelgdami į jo genomo silpnąsias vietas.
L. Mažučiui, studijuojant Harvardo universitete, kilo idėja pritaikyti šias technologijas baltymams tobulinti. Ir tai ne šiaip sau baltymai, o molekulės, galinčios tapti efektyviais vaistais. Kadangi dauguma vaistų yra ne kas kita, o baltymų molekulės. Taip gimė bendras Lietuvos ir Šveicarijos mokslininkų projektas „Kompiuteryje sumodeliuotų fermentų evoliucija panaudojant mikroskysčių technologiją“, finansuojamas pagal Lietuvos ir Šveicarijos Konfederacijos bendradarbiavimo programą.
„Mes suradome partnerius iš Šveicarijos, kurie yra geri specialistai, kuriant įvairius modelinius baltymus, baltymų struktūras kompiuteriuose. Tačiau kai jie susintetina šiuos baltymus biochemiškai, jie nepakankamai aktyvūs. Tačiau mokslininkai gali sukurti baltymus, kurie atlieka reakcijas, neaptinkamas gamtoje“, – aiškina „Mokslo ekspreso“ pašnekovas.
Kuo pranašesnė mikroskysčių technologija?
Norint, kad tokie nauji fermentai atliktų savo darbą – pavyzdžiui, skaidytų kenksmingas molekules arba skatintų naudingas molekules susijungti, reikia juos gerokai patobulinti. Kadangi ši sritis labai aktuali ir naudinga, pasaulio mokslininkai per kelis dešimtmečius yra sukūrę nemažai metodų, kaip padidinti baltymų aktyvumą. Tad kuo pranašesnis mikroskysčių technologija paremtas būdas?
„Mikroskysčių technologija yra naudinga tuo, kad suteikia įrankį, su kuriuo galima analizuoti atskirus mutantus daug tiksliau ir greičiau“, – sako L. Mažutis.
Greitis ir patikimumas – štai du pagrindiniai privalumai. Ir čia prasideda itin kruopštus darbas, prieš kurį nublanksta net Šveicarijos laikrodininkų gebėjimai. Mat tenka į pačių sukurtus itin mažus lašelius įterpti po vieną skirtingą geną, koduojantį taip pat tik vieną, unikalų fermentą. Tačiau kaip tą padaryti, jeigu gamtoje yra milijonai unikalių genų, koduojančių fermentus? Kaip tame sudėtingame mišinyje surasti būtent tą, kuriame užšifruota informacija apie aktyviausią fermentą?
„Mes tuos genus patalpiname į mikrolašelius. Lašelis atlieka dirbtinės ląstelės funkcijas. Tame lašelyje yra ne tik genas, bet ir visi kiti komponentai, reikalingi to geno raiškai. Kai susintetinamas konkrečiame gene užkoduotas fermentas, mes naudodami lazerius įvertiname fermento aktyvumą. Ir atrenkame efektyviausius“, – pasakoja mokslininkas.
Kaip minėta, tyrėjai savo eksperimentams renkasi farmacinę reikšmę turinčius baltymus. Sintetinant įvairius vaistus, svarbu gauti chemiškai grynas tam tikros struktūros molekules. Naudojant cheminę sintezę, dažniausiai gaunamas įvairių erdvinių struktūrų molekulių, vadinamų enantiomerais, mišinys.
Kai kurios iš jų gali būti ne vaistas, o nuodas. Todėl būtina pasitelkti fermentus – išrankius biologinius katalizatorius, sugebančius pagal žmogaus sukurtą planą sintetinti tik vienos erdvinės struktūros ir labai aktyviai reakcijas skatinančias molekules.
Pasak L. Mažučio, „chemiškai tą susintetinti gali būti labai sudėtinga, nes tam reiktų daug atskirų etapų, kurių išeiga būtų maža. Be to, tokie junginiai nebūtų švarūs. Panaudojant fermentus, galima susintetinti labai švarius ir kokybiškus junginius. Viena iš sričių – bendrauti su farmacijos pramone, kurti fermentus, kurie sintetintų įvairias vaistų molekules“.
Eksperimentams nenaudoja gyvų ląstelių
L. Mažučio grupė darbuojasi tobulindama tokius fermentus, kaip esterazės ir amidazės. Amidazės dalyvauja neurotransmiterių ir amino rūgščių apykaitoje. Esterazės – fermentai, kurių koncentracijos padidėjimas kraujyje sukelia uždegiminius procesus, o aktyvumo pokyčiai gali paskatinti vėžio ir diabeto vystymąsi.
„Mūsų tikslas – sukurti laboratoriją ant lusto, kurį būtų galima naudoti įvairių baltymų evoliucijai in vitro, nepriklausomai nuo to, kokį baltymą norima sukurti ar patobulinti, kadangi galima labai tiksliai kontroliuoti fermento veikimo sąlygas“, – teigia mokslininkas.
Toks lustas, suformuotas iš stiklo plokštelės ir silikono, iš principo būtų universalus instrumentas, kuriuo mokslininkai naudotųsi kurdami arba tobulindami įvairius baltymus.
„Pavyzdžiui, mes turime tokį esterazės fermento variantą, kurio nėra gamtoje. Jis buvo sumodeliuotas kompiuteryje ir vėliau susintetintas jo genas. Tačiau toks fermentas yra apie milijoną kartų silpnesnis negu gamtoje aptinkami fermentai. Mes norime, panaudodami tuos mikrolustus, tą fermentą padaryti labai aktyvų. Tam naudojame įvairius molekulinės biologijos metodus“, – „Mokslo ekspresui“ sako L. Mažutis.
Tyrėjams kol kas aiškūs ne visi baltymų evoliucijos mechanizmai. Kaip vyks ši priverstinė, žmogaus paspartinta evoliucija lašelyje, neretai priklauso nuo pasirinkto baltymo. Keičiant fermento aktyvumą, nuspėti, kaip ir kokios grupės daro jam įtaką, yra gana sunku. Bet koks baltymo struktūros pokytis gali paveikti jo aktyvaus centro struktūrą. Pavyzdžiui, kuriant fermentus vaistinių statinų sintezei, buvo rastos mutacijos, pagerinančios reakcijos išeigas 1000 kartų. Įdomu, kad tokį fermento darbštumo padidėjimą lemiančios mutacijos išsibarsčiusios po visą jo struktūrą.
Anot L. Mažučio, spartindami baltymų evoliuciją, mokslininkai atlieka viso geno mutagenezę: „Leidžiame fermentui mutuoti skirtingose vietose ir atrinkinėjame visus variantus, kurie turi bent kiek didesnį katalitinį aktyvumą. Atrinkę tokių mutantų biblioteką, mes ieškome specifinių mutacijų, nulemiančių padidėjusį fermento aktyvumą. Kartojant procedūrą keletą kartų, galima tikėtis atrinkti tokius fermento variantus, kurie pasižymės naudingomis savybėmis“.
VU Biotechnologijų instituto mokslininkai savo eksperimentuose nenaudoja gyvų ląstelių. To ir nereikia, kadangi jau sugebama, imituojant gamtą, pakartoti jos pasiekimus laboratorijoje. Žinodami, kokį tikslą nori pasiekti, mokslininkai patys susikuria laboratorijos ant lusto planą. Tiesą sakant, tai labai primena mikroschemų projektavimą elektronikoje.
„Yra įvairių platformų variantų. Mes esame prisigaminę įvairių laboratorijų ant lusto štampų. Tai silicio plokštelės, kurių paviršiai turi tam tikrą raštą“, – teigia L. Mažutis.
Mokslininkų rankose ląstelės arba jų dirbtiniai analogai vis dažniau tampa laboratorijomis – bandymų poligonais, kuriuose gimsta arba evoliucionuoja nauji instrumentai ir produktai, naudojami medicinoje. Tačiau tai – tik pradžia. Dar viena sritis, ne taip seniai priklausiusi mokslinei fantastikai – įvairūs organai ant lusto, naudojami medicininei diagnostikai. Tokie, kaip plaučiai arba širdis. Kitame straipsnyje papasakosime apie Lietuvos mokslininkų darbus, kuriant tokias laboratorijas ant lusto ir jų galimus taikymus.
