Pogled v zamrznjene skrivnosti življenja

Brez krioelektronskega mikroskopa si ni mogoče zamisliti raziskav in razvoja v strukturni biologiji. Nova naprava bo omogočila slovenskim znanstvenikom prebojnost v raziskavah, kar je nujen pogoj za uspešno tekmovanje slovenske znanosti s svetovno. To je v nabito polni predavalnici Kemijskega inštituta poudaril dr. Joachim Frank, Nobelov nagrajenec za kemijo leta 2017, ob predstavitvi zadnje pridobitve – kriotransmisijskega elektronskega mikroskopa, vrednega 2,5 milijona evrov.



Takšne vrste mikroskopi za opazovanje objektov uporabljajo visokoenergijske žarke elektronov. Fizikalne lastnosti žarkov omogočajo raziskovalcem, da določijo zgradbo posameznih molekul do visokih (atomskih) ločljivosti. Največ se tak mikroskop uporablja za opazovanje bioloških vzorcev posameznih molekul, njihovih kompleksov, celic in tkiv. Ker so takšni vzorci zelo občutljivi, jih je treba pred močnimi elektronskimi žarki zaščititi z zelo nizkimi (krio) temperaturami – kar omogoča omenjena oprema.

Nobelovec Joachim Frank, po osnovni izobrazbi fizik, profesor na oddelku za biokemijo in molekulsko biofiziko ter oddelku za biološke znanosti na univerzi Columbia, je lahko slikovito prikazal zgodovinski razvoj te metode, saj je krioelektronski mikroskopiji posvetil tako rekoč vse življenje. Odločilno je prispeval k razvoju matematičnih konceptov in računskih pristopov za rekonstrukcijo zgradbe bioloških molekul iz slik molekul, ki jih raziskovalci dobijo pri opazovanju bioloških vzorcev pod krioelektronskim mikroskopom, in za delo na tem področju skupaj z Richardom Hendersonom in Jacquesom Dubochetom prejel najprestižnejše znanstveno priznanje.
 

2,5

milijona evrov
je stal mikroskop
s Kemijskega
inštituta

Vpogled v delovanje molekul

Kot je pojasnil ugledni znanstvenik, je mogoče s krioelektronsko mikroskopijo zelo natančno opazovati tudi rezine celic, kar pokaže položaj in zgradbo molekul neposredno znotraj celic; zgradbo pa je mogoče analizirati tudi iz dvo- ali tridimenzionalnih kristalov teh molekul.

Profesor Frank je vzgojil celo vrsto strokovnjakov s področja krioelektronske mikroskopije, in kot pravi dr. Marjetka Podobnik, vodja odseka za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo na Kemijskem inštitutu, z nekaterimi od njih slovenski raziskovalci že sodelujejo. To metodo so, preden so prišli do lastne opreme, namreč razvijali z občasnimi gostovanji v tovrstnih centrih v tujini.

Na omenjenem odseku proučujejo predvsem biokemijsko, biofizikalno in strukturno naravo interakcij med biološkimi molekulami, kar omogoča razumevanje mehanizma njihovega delovanja. Marjetka Podobnik pojasnjuje, da »celice, ki gradijo žive organizme, vsebujejo na tisoče molekul, ki med seboj nenehno komunicirajo prek fizičnega stika. Tako lahko interagirata dve molekuli ali pa tudi več deset, odvisno od biološkega procesa, znotraj katerega delujejo. Taki molekulski sistemi omogočajo transport molekul v celicah ali med njimi, nastanek novih molekul ali pa razgradnjo hranil ali poškodovanih molekul, podvojevanje genoma, recikliranje proteinov, gibanje organizmov ...«
 

Pomembna atomska ločljivost

»Če hočemo razumeti, kako ti molekulski sistemi znotraj celic delujejo in kako se med procesi spreminjajo, moramo poznati njihovo zgradbo pri atomski ločljivosti. Ta spoznanja nam omogočajo natančno razumevanje bioloških procesov tako v naravnem oziroma zdravem stanju kot v primeru bolezni,« pravi Podobnikova in doda, da tako dobivajo informacije, ki omogočajo iskanje poti za zdravljenje oziroma razvoj zdravil.

Zgradbo molekul lahko po besedah sogovornice določajo z različnimi pristopi, kot sta x-žarkovna kristalografija in jedrska magnetna resonanca, ali pa s krioelektronsko mikroskopijo, prednost zadnje pa je, da lahko opazujejo velike molekulske sisteme v obliki, ki je blizu naravni.

Poleg tega krioelektronski mikroskop omogoča opazovanje dinamike bioloških molekul, saj se njihova zgradba skozi čas precej spreminja. Krioelektronska mikroskopija je ravno tako uspešna v primeru molekul, ki so zasidrane v celične lipidne membrane.
 

Videti, verjeti …

Med tistimi, ki so se poleg direktorja Kemijskega inštituta Gregorja Anderluha in Marjetke Podobnik najbolj zavzemali za nakup dragega instrumenta, je tudi dr. Roman Jerala, vodja odseka za sintezno biologijo in imunologijo na Kemijskem inštitutu, kjer se ukvarjajo z načrtovanjem novih bioloških struktur in kompleksnih sistemov ter raziskujejo molekulske mehanizme naravne imunosti. »Reklo, da videti pomeni verjeti, velja tudi v vedah o življenju. Vsi organizmi so sestavljeni iz bioloških molekul, ki so strukturirane na nanometrskem nivoju, zato vpogled v njihovo strukturo pomeni okno v razumevanje delovanja celic in s tem življenja. Ta naprava, pa čeprav gre za osnovni model, bo ključna za analizo naših dizajniranih proteinov oziroma proteinskega origamija na osnovi obvitih vijačnic, ki se zvijejo v nove, v naravi doslej neznane oblike in pridobijo nove funkcije,« pojasnjuje Jerala.



»Še več si od te tehnike obetamo pri razumevanju delovanja molekulskih strojev, kar je tudi tema mojega projekta ERC za uveljavljene raziskovalce, saj lahko s krioelektronsko mikroskopijo spremljamo spremembe strukture oziroma takte delovanja molekulskih strojev. Tako kot je naše vsakdanje življenje postalo odvisno od strojev, je namreč tudi delovanje celic odvisno od molekulskih strojev, kot so encimi, ki katalizirajo kemijske reakcije, ali na primer molekulski kompleksi, ki omogočajo krčenje mišic, ali ribosom, celična tovarna, ki proizvaja proteine na osnovi zapisa RNK.«

Opozoril je še, da tovrstno opremo povsod po svetu kupujejo z namensko državno podporo odličnosti, a da so si drznili investirati v tako drago napravo, ker projekt ERC njihovi skupini omogoča finančno stabilnost za prihodnjih pet let. »Doslej smo bili za krioelektronske mikroskopske analize odvisni od sodelavcev iz tujine, z lastno napravo pa bo mogoče opraviti precej več in hitrejše analize. Poleg dizajniranih proteinov nameravamo s krioelektronsko mikroskopijo raziskati strukture kompleksov, ki so podlaga za delovanje imunskega sistema, in prepričan sem, da se bo nabor vprašanj, na katera bomo odgovorili s to napravo, občutno povečal,« pravi Jerala.

Prav v tem času so oddali prijavo za evropski projekt, v katerem nameravajo sodelovati pri razvoju novega pristopa protivirusnega delovanja, in že vključili tudi raziskave s to napravo. Prav tako je zelo pomembno, še pravi, da bodo s krioelektronskim mikroskopom usposobili več mladih strokovnjakov in »morda pritegnili kakšnega iz tujine ali Slovenca, ki bi želel opravljati raziskave z najsodobnejšimi metodami«.