Metabolinė inžinerija arba degalai ir energija už dyką

Kai kurios evoliucijos per milijardus metų sugalvotos ir įdiegtos inovacijos stulbina originalumu ir efektyvumu. Pakanka pažvelgti į tokį objektą, kaip ląstelė. Į jos išorinį apvalkalą – membraną, viduje darniai veikiančias sudedamąsias dalis – organeles. Į jos augimą, dauginimąsi ar judėjimą. Kad atsirastų sudėtinga gyvybė, reikėjo esminių inovacijų – pavyzdžiui, sukurti gyviems organizmams energijos tiekimo (gamybos) sistemas. Juk norint daugintis ir gyventi, reikia energijos ir maisto medžiagų. Viena tokia lemtinga pažintis, kaip manoma, įvyko maždaug prieš pusantro milijardo metų, kai dvi skirtingos ląstelės susiliejo į vieną. Apsukri bakterija įsitaisė primityvioje ląstelėje, vadinamoje archėja ir ėmė gaminti jai energiją mainais už saugią kaimynystę. Dabar šios ląstelių jėgainės vadinamos mitochondrijomis. Panašiu būdu augalų ir bakterijų ląstelės kažkada priėmė į savo vidų būsimuosius choloroplastus, padedančius saulės spindulius įkinkyti į naudingą darbą ir taip gauti energijos bei išgyvenimui būtinų maistinių medžiagų – angliavandenių (cukrų). Ne veltui sakoma – kur du stos, visada daugiau padarys. Fotosintezės sistema ne tik suteikė gyviems organizmams neišsenkantį energijos šaltinį, bet ilgainiui pakeitė visos mūsų planetos atmosferą. Kuo mes blogesni už gamtą? – galvoja mokslininkai, siekiantys ne tik pakartoti gamtos inovacijas, bet jas ir patobulinti.

Fizikas, LMA tikrasis narys prof. Leonas Valkūnas sako: lape, kuris vykdo fotosintezę, yra membranos, granos. Tokie lapai aprūpina energija visą augalą. Tačiau paaiškėjo, kad labai panašios membranos susiformavo ir ciano bakterijas, melsvadumbliuose. Taigi, efektyviausias modelis paplito visoje planetoje.

Geros idėjos gamtoje iš tiesų plinta it gaisras prerijose. Pirmasis idėją apie simbiogenezę (t. y. sudėtingų ląstelių, vadinamų eukariotais, atsiradimą iš prokariotų) XX a. pradžioje iškėlė botanikas Konstantinas Mereškovskis, o vėliau ją, remdamasi mikrooranizmų stebėjimais, tobulino biologė Lynn Margulis. Ši mintis neatrodo laužta iš piršto. Ją patvirtina ir tai, jog mitochondrijos atrodo labai panašios į Riketsijų genties bakterijas, o chloroplastai – į azotą fiksuojančias ciano bakterijas- melsvadumblius. Viena iš prof. L. Valkūno grupės tyrimų krypčių, už kurią jis pelnė premiją, yra organinių, biologinių sistemų veikimo mechanizmų tyrimai. Labai svarbu sužinoti, kaip baltymas vykdo reguliaciją, kaip veikia grįžtamasis ryšys. Saulės šviesos paveikti augalai, bakterijos, dumbliai skaido vandens molekules, išskirdami deguonį, kuris jiems nereikalingas. Jie pasiima tik vandenilio jonus, naudojamus angliavandenių sintezei. Šita reakcija sumaniai reguliuojama, nes fotosintezės procesai vyksta ir skaisčioje saulės šviesose, ir šešėlyje. Augalai kažkaip sugeba apsisaugoti nuo ardančio deguonies pertekliaus. Bandymui įminti šią paslaptį ir skirtas Lietuvos mokslo premija įvertintas akademiko Leono Valkūno darbų ciklas „Fotoindukuotų vyksmų savireguliacija ir valdymas molekuliniuose nanodariniuose“.

Tokius apsauginius mechanizmus yra sukūrę ir augalai, ir bakterijos. Fotosintezėje dalyvaujančių baltymų sudėtyje yra pigmentų – chlorofilo molekulių, o akies baltyme rodopsine – pigmento retinalio (vitamino A) molekulių. Sugėrusios šviesos kvantą, tos molekulės priverčia baltymą šokti pagal jų dūdelę. Pavyzdžiui, įjungti apsaugos nuo šviesos pertekliaus mechanizmą. Mokslininkai mėgina suprasti, kaip šie simbiozės užprogramuoti mechanizmai veikia tarp įvairių baltymų molekulių. Kad galėtų ne tik mėgdžioti gamtą, bet ir patobulinti tuos procesus. Būsimas didysis prizas už šias pastangas – neišsenkantys ekologiškos energijos šaltiniai, vaistai nuo nepagydomų ligų, šiltnamio dujų – anglies dioksido pavertimas degalais. Nors fotosintezės komplekso erdvinė struktūra yra iššifruota ir puikiai žinoma, suprasti joje vykstančius procesus kur kas sunkiau. Mat baltymai yra neįprasta terpė. Tai nei tirpalas, nei kristalas, o lengvai ir greitai savo formą keičianti kelių ar keliolikos makromolekulių sistema. Fotosintezę pradedantis šviesos kvantas-fotonas labai efektyviai generuoja daleles su teigiamas ir neigiamais krūviais, ir šio proceso našumas siekia net 90%. Tačiau kai estafetę perima biocheminės reakcijos, našumas žaibiškai krenta ir galų gale belieka vos pora procentų energijos galutinio produkto – angliavandenių sintezei. Augalams ir bakterijoms savo poreikiams patenkinti to pakanka, o žmonėms norisi daugiau.

Mokslininkai norėtų panaudoti gamtos sukurtą procesą ekologiškai ir pigiai gaminti elektrą. Negana to, tokiu pat būdu, anglies dioksidą verčiant angliavandeniais, būtų galima sintetinti skystą kurą. Šių metų „Science“ numeryje aprašyta, jog mokslininkų grupei Harvardo universitete, genetiškai modifikavus bakterijas, pavyko priversti jas tapti degalų gamintojomis. Fotosintezę mėgdžiojantis procesas dešimt kartų efektyvesnis už gamtos sukurtą. Toks gyvų organizmų veiklos tobulinimas vadinamas metaboline inžinerija. Juk praktiškai viskas yra fotosintezės produktas. Ir tokios statybinės medžiagos kaip, medis, taip pat nafta, anglis, dujos. Metabolinės inžinerijos tikslas – matematiškai sumodeliuoti biologinių procesų seką ląstelėje, siekiant gauti norimą produktą, apskaičiuoti jo išeigą ir nustatyti, kurias proceso vietas reikia keisti. Tam vis dažniau naudojamas ir genų redagavimas. Šiuo metu JAV statoma daugiau kaip 50 biorafinavimo gamyklų, kurios metabolinės inžinerijos metodais gamins biodegalus ir chemines medžiagas iš biomasės. Alkoholiai ir alkanai pakeis benziną, o riebiųjų rūgščių metilo esteriai – dyzelinį kurą.

Fizinių ir technologijos mokslų centre dirbančios grupės mokslininkai tiria procesus, valdančius fotosintezės ir kitų baltyminių sistemų savireguliaciją. Šios žinios suteiks įrankius mikroorganizmų tobulintojams, siekiantiems priversti bakterijas sintetinti mums reikalingas medžiagas. Be to, norima iš esmės pakeisti ir saulės baterijų konstrukciją – sukurti organinių arba hibridinių sistemų gamybos technologiją. Tai padidintų jų našumą ir leistų kurti unikalius molekulinius darinius.

Kita esminė gyvo organizmo ypatybė – ląstelės sienelė, atskirianti ją nuo aplinkos. Pradinės struktūros, ko gero, buvo tam tikrų molekulių – lipidų sluoksniai. Tačiau eukakriotų ląstelių membranos yra itin sudėtingos biologinės mašinos, reguliuojančios įvairių medžiagų apykaitos produktų, molekulių transportą. Jų struktūroje integruota daugybė įvairių baltymų: protonų pompų, kanalų baltymų, fermentų, receptorių. Vieni prisikabinę prie membranos, kiti panirę joje. Vieni veikia kaip muitinės postai, kiti kaip ryšininkai, treti kaip eismo reguliuotojai. Toks glaudus ryšys ir sklandus mechanizmas leidžia manyti, kad tie baltymai evoliucionavo kartu su membranos energijos tiekimo sistema. Kadangi sistema sudėtinga, įvairių gedimų galimybė labai didelė. Pavyzdžiui, koks nors baltymas pakeičia savo formą, nebeatlieka savo funkcijos, sulimpa su kitais baltymas, ir tai pasmerkia ląstelę o kartais ir visą organizmą žūčiai.

Fizikochemikė dr. Simona Strazdaitė sako, jog žmogaus organizme yra bene 31 liga, sukeliama baltymų agregacijos. Aišku, kiekvieną ligą sukelia skirtingi baltymai. Bet pats mechanizmas iš esmės toks pats. Yra daug hipotezių, kaip baltymas agreguojasi. Viena iš tokių hipotezių – ląstelės membrana ir jos pakitimai skatina baltymo agregaciją. Ištirti, kaip membrana veikia baltymo agregaciją sunku, nes trūksta metodų, leidžiančių stebėti membranos ir baltymo sąveiką. Todėl naujų metodų ir instrumentų paieška, jų išradingas taikymas yra viena svarbiausių šiuolaikinės molekulinės biologijos sričių.

LMA tikrasis narys, prof. Gediminas Niaura pritaria, kad tyrėjams reikia instrumento, kuris parodytų, kaip formuojasi agregatai, kokios sąveikos vyksta fazių riboje. Tuomet būtų galima valdyti tuos procesus ir net išgydyti šias patologijas. Štai kodėl Fizinių ir technologijos mokslų centro Spektroelektrochemijos laboratorijoje dirbanti Simona Strazdaitė, pasiūliusi taikyti modernius spektrinius metodus, šiemet laimėjo prestižinę Europos komisijos Marie Curie stipendiją tyrimams vykdyti. Mokslininkė dirba su suminio dažnio netiesinės spektroskopijos sistema. Ji netiesinė, kadangi naudojami labai intensyvūs lazerio impulsai. Jie sukelia netiesinę sąveiką su medžiaga ir todėl galima tirti tam tikrų medžiagų paviršius. Pavyzdžiui, galima suformuoti sistemą, sudarytą iš membranos ant vandens paviršiaus ir vandenyje esančio baltymo. Ir pamatyti, kaip tas baltymas pradeda agreguotis ties membrana. Problema ta, kad fazių riboje, kurią norima tirti, yra mažai molekulių, tad metodai turi būti jautrūs. Tyrimuose mokslininkai iš viso naudos du metodus. Greta suminio dažnio generacijos fazių ribos metodo pravers Ramano spektroskopija, sustiprinta nanodalelėmis, izoliuotomis dialektriko sluoksniu. Tas sluoksnis reikalingas, kad dalelė nepaveiktų sistemos.

Nors ligas sukelia skirtingi baltymai, atrodo, kad patologijos mechanizmas yra toks pat. Baltymo molekulės pradeda sulipti, nusėda ant ląstelės ir ima ją žaloti. Ląstelė galiausiai miršta. Komanda, sudaryta iš chemikų, biologų ir fizikų siekia suprasti, kaip šis procesas vyksta molekuliniame lygmenyje. Kaip susiformuoja baltymų agregatai, kokios medžiagos ją skatina, kaip šiuos defektus veikia pati membrana. Vienas infraraudonos spalvos lazerio impulsas sužadina molekules ir jos pradeda virpėti. Pagal virpėjimą galima nustatyti, kokia tai molekulė. Baltymas virpa vienaip, o vanduo kitaip. Kadangi impulsas labai intensyvus, mokslininkai įžiūri labai plonus medžiagos sluoksnius. Šį suminio dažnio spektroskopijos metodą papildys sustiprinta nanodalelių Ramano spektroskopija. Sidabro arba aukso nanodalelės padengiamos plonu silicio oksido sluoksniu ar kitokiu dialektriku ir naudojamos kaip Ramano sklaidos stiprintuvai.

Mokslininkai tikisi, naudodami minimus metodus, ištirti amiloido beta baltymą natūralioje aplinkoje, ant membranos ir pagaliau suprasti, kas sukelia jo agregaciją, t.y. sulipimą. Būtent jis yra pagrindinis blogio genijus, sukeliantis kol kas nepagydomą Alzhaimerio ligą. Naujoji talentingų tyrėjų karta puikiai papildo patyrusius mokslininkus ir tai teikia vilčių, kad šį sudėtinga užduotis bus išspręsta.

Rolandas Maskoliūnas ir Ieva Knipaitė