Vzhůru dolů! Nový mikrák z Brna odhalí náš vnitřní vesmír

TLDR: Detailnější metoda zobrazování pomocí cryo-EM, částečně původem z Brna, dohání dosavadní náskok RTG krystalografie. Schopnost zobrazit proteiny, zejména ty membránové, by přitom mohla rapidně zlepšit inteligentní návrh léčiv. Prepublikovaná studie tu a tu.

Do nitra proteinové duše

Je tomu pár týdnů, co jste možná zaznamenali zprávu o tom, že „nový elektronový mikroskop dovede detailně ukázat proteiny„, přičemž na onom mikráku makali i vědátoři z Brna. Wow, asi jste si řekli, a šli dál. Kdo si zprávu rozklikl, zjistil, že novinka pracuje s nadšením proteinů v tenké vrstvě, což má zajistit jejich prosvícení a zpracování obrázků.

Jde rozhodně o impresivní kus vědy, který se dostal i do prestižního žurnálu Nature. Pro biochemiky je to trochu jako dostat počítač, který konečně rozjede Crysis – to celé poté, co jste doposud hráli (původního) Dooma. Při gratulacím (mmj.) Brnu se ale ztratilo to hlavní, proč mi z novinky klesá čelist až do sklepa! Pojďme si tedy říct, proč tenhle lepší mikrák může výrazně zlepšit způsob, jakým se navrhují léky!

V podstatě jde o to, že když řešíme funkci buňky na molekulární úrovni, drtivou většinu všech procesů zprostředkovávají proteiny – většinou tak, že na sebe něco navážou, s něčím reagujou, změní trochu tvar, pak se vrátí do nějaké “původní” polohy, navážou něco dalšího, a tak furt dokola. Rozeznání proteinů je tedy jakýsi Svatý grál medicíny!

Proteiny ale nejsou dvourozměrné – jsou trojrozměrné, což jejich poznání komplikuje. Pokud chceme vědět, jak se co hýbe a kam se co váže, potřebujeme znát detailní 3D strukturu toho proteinu, a to s co největším možným rozlišením. V tomhle případě se rozlišení počítá v jednotce povědomé fanouškům Hvězdné brány, totiž v Ångströmech – 1/10 nanometru, s tím že struktura proteinu s rozlišením 3-4 Å je přijatelně přesná na úrovni aminokyselin. Většina dostupných struktur má pak kolem 2 Å, a kolem 1.5 Å jdou tak vidět jednotlivé atomy. Yay! Toho chceme dosáhnout!

A nový mikrák s brněnským spolupůvodem toho dle publikovaných prací už schopný dosáhnout je!

Brzo si ty nápisy snad vymění místa! Zdroj: Nguyen Quang

Rentgeny vrací úder

Ale to je divný, že zatím nikdo nikdy dřív v tomhle ohledu nepokročil dál, možná si říkáte správně. Historicky starší metoda, jak takovou 3D strukturu získat získat, již existuje – spočívá v tom přimět protein, aby zamrzl do krystalu! Poté se krystal strčí do rentgenu (říká se tomu rentgenová krystalografie), získá se obrázek rozptylu rentgenových paprsků na tom krystalu a pomocí matematické magie (čti: fourierova transformace) se získá struktura proteinu (nebo DNA, viz: Franklinová, Watson and Crick).

Problém téhle metody je to, že je třeba přimět protein zkrystalizovat – což je fakt mega těžké třeba u membránových proteinů. Přitom až *polovina* cílů různých léčiv jsou právě membránové proteiny – ty se blbě krystalizují.

Novější metodou (“až” ze 70. let) je potom použití elektronové mikroskopie (na zmraženém vzorku, proto cryo-EM), kdy se přečištěný roztok proteinů nalije na mřížku, zmrazí, vyfotí elektronovým mikroskopem, a pak se z toho obrázku pomocí matematické magie (čti: image processing) získá 3D struktura proteinu.

Hodně dlouho byla rentgenová krystalografie hlavní metodou pro získávání struktur proteinů, protože cryo-EM měla malé rozlišení. Používala se tak hlavně na určení přibližného tvaru velkých membránových komplexů. Ale od roku cca 2013 se pomalu začaly objevovat struktury s rozlišením kolem 3.5 Å a z cryo-EM se stala ~nová dramaticky rozvíjející se metoda budoucnosti (teda, možná, pokud se něco nepodělá)~!

Objev dvou nových struktury přes cryo-EM s rozlišením pod 2Å (podle autorů až 1.7 Å, či dokonce 1.25 Å), pomocí vylepšení mikroskopů a kamer a softwarového zpracování, tak v podstatě znamená, že cryo-EM se pomalu ale jistě dotahuje náskok rentgenové krystalografie jakožto hlavní metody získávání 3D struktur proteinů. Z Dooma se stává Crysis!

Line graph showing how cryo-electron microscopy can now resolve features at the atomic level
Rapidní zlepšování cryo-EM v průběhu času. Zdroj: Nature

Návrat cryo-EM!

Co to znamená mimo tenhle obor? Když jste schopní získat atomární rozlišení, víte úplně přesně, jak a kam se váže která látka, neboli třeba léčivo, s jakou částí proteinu reaguje, jestli a jak se liší reakce proteinu s podobným léčivem s trošku jinou strukturou. A na základě toho pak případně navrhnout jak upravit tu molekulu léčiva, aby s daným proteinem interagovala lépe  – a nebo naopak hůře, pokud tou interakcí způsobuje něco nekalého.  #intelligent drug design for the win

A nejde jenom o experimentování v praxi, ale i in silico. Stále víc a víc se vědátoři a vědátorky snaží v praxi realizovat „pokusy“ v počítačových simulacích. Ideálně tak, aby k počítače vyjely designy léčiv. Simulace jsou ale jenom tak dobré, jak dobrá jsou vstupní data. Možnost získávat ona vstupní data lépe, tak samozřejmě zlepšuje i další obory, in silico návrh nekonče!

Dva články o cutting-edge použití cryo-EM samozřejmě neznamenají konec rentgenové krystalografie (která je ve speciálních případech schopná dosáhnout rozlišení pod 2 Å už od 80. let), ale jsou jasným krokem k tomu, aby se cryo-EM dostala do povědomí širší vědecké veřejnosti jako metoda, kterou se dají spolehlivě získat struktury v dobrém rozlišení. To celé aniž byste museli doufat, že po půl roce práce bude foukat vítr ze západu, Jupiter bude v nadhlavníku a Slunce ve znamení Raka, aby váš protein vykrystalizoval…

Teď, když už dva různé týmy ukázaly, že to snad opravdu jde, nebrání v podstatě nic tomu, aby se přes cryo-EM začaly struktury proteinů a navázaných malých organických látek (Substráty! Produkty! Inhibitory! Léčiva!!!) zkoumat čím dál víc a jednodušeji. A to je ten přelom, o kterém se tak nadšeně mluví.

[Petra W. Čechová, LL]

Lepší poznání proteinů může odpovědět na řadu biochemických otazníků – třeba včetně vlivu střev na mozek!

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Diskuze

Reklama