Fabryki życia

W każdej chwili w twoim ciele działają maszyny. Molekularne motory, które poruszają się, wywijają akrobacje, drżą i strzelają na wszystkie strony swoimi białkowymi procami. Masz na przykład mitochondria – tam, wśród falujących tłuszczem błon, tkwią wetknięte mikrobuławy enzymu zwanego syntazą ATP. Trzon „buławy” obraca się napędzany strumieniem jonów, a uwalniana z ich przepływu energia skleja ze sobą cząsteczki ADP i wolne fosforany, produkując ATP – podstawowe paliwo komórki żywej. W innym miejscu komórki pokraczne skrzyżowanie nożyc i minikatapulty replikuje twoje DNA. Maszyna ta ma wirujący z zawrotną prędkością pierścień, którego zadaniem jest rozplatanie podwójnej nici DNA. To helikaza.

Takich molekularnych robotów w każdej Twojej komórce są miliardy, a każdy z nich swoimi fikołkami i rotacjami przenosi porcje cząsteczek, odrywa lub łączy ze sobą biologiczne polimery albo wykonuje setki innych, równie potrzebnych zadań. Komórka żywa to nie tylko bulgoczący tygiel przepływającej cytoplazmy – to istne rojowisko nanorobotów, pracowicie wykonujących swoje komórkowe zadania.

Język genów, język białek
Jedna konkretna maszyna molekularna szczególnie mocno rozpalała wyobraźnię biologów molekularnych i biofizyków. Nad poznaniem jej działania i budowy intensywnie pracowały trzy duże zespoły badawcze, a dziesiątki mniejszych z całego świata zmagały się ze zrozumieniem rozmaitych szczegółów. Bez tego konkretnego robota, którego egzemplarze masz w każdej swojej komórce, życie nie mogłoby funkcjonować w taki sposób i na takich zasadach, jak rozumiemy je dzisiaj.

Mówimy tu właściwie o nanoskopowej manufakturze (o rozmiarach rzędu jednej stutysięcznej milimetra), która ma wszystko, co porządna fabryka powinna mieć: ruchome mechanizmy, mozolnie przesuwający się pas transmisyjny – i oddział produkcyjny, wypluwający finalny produkt – biopolimer, wytwarzany i wydzielany atom po atomie do mokrego wnętrza komórki. Oto rybosom. Grudka białka i kwasów nukleinowych, bez której przepływ informacji genetycznej w przyrodzie nie byłby możliwy. Wszystkie białka naszych komórek – i komórek każdego żywego organizmu, łącznie z białkami samych rybosomów! – powstają właśnie w rybosomach.

Trudno wyobrazić sobie składniki życia bardziej fundamentalne niż rybosomy. Biolodzy molekularni zdawali sobie z tego sprawę od dawna, a jedyną chyba przeszkodą stojącą na drodze ich zrozumienia były metody badawcze, które dopiero w latach 80. i 90. XX w. osiągnęły odpowiedni stopień zaawansowania. Opisanie struktury rybosomu było doniosłym osiągnięciem nauki, porównywalnym chyba tylko z rozszyfrowaniem struktury DNA. Dlaczego?

Informacja genetyczna w komórkach żywych przechowywana jest w „księgach” (głównie w jądrze komórkowym), zapisanych w języku, który trzeba dopiero żmudnie tłumaczyć na zupełnie inny „język” białek, opisywanych w tej komórkowej bibliotece. Wynika to z wielu czynników – choćby z tego, że repertuar alfabetu kodu genetycznego jest dość ograniczony, składa się raptem z czterech liter (zapisywanych przy użyciu tzw. zasad azotowych).

Uzyskanie za pomocą tylko czterech „klocków” różnorodności strukturalnej i czynnościowej, jaką znamy z niezliczonych białek, nie byłoby łatwe. Potrzebny jest pośrednik – tłumaczący zawiłości białek na względną prostotę kodu genetycznego. Tym pośrednikiem jest alfabet aminokwasów – 21 cegiełek budujących całe bogactwo białkowego świata.

Aminokwasy nie są jednak biochemicznie zbytnio kompatybilne z zasadami azotowymi kodu genetycznego. Trudno więc wyobrazić sobie bezpośredni mechanizm „tłumaczenia” kodu genetycznego na białka, który opierałby się po prostu na fizycznym kontakcie pomiędzy DNA i wytwarzanym na jego bazie białkiem. Byłoby to zresztą bardzo niebezpieczne: w każdym dobrym systemie informatycznym oryginalne dane powinny być chronione i oddzielone od systemów przetwarzających je w nowe produkty – w końcu każda interakcja z danymi mogłaby prowadzić do ich uszkodzenia, w przypadku organizmów żywych często kończącego się śmiercionośnymi mutacjami.

Centralny dogmat biologii
Powstał więc złożony system sterujący przepływem informacji, zgrabnie podsumowany w tzw. centralnym dogmacie biologii molekularnej. Zgodnie z nim informacja genetyczna – skrzętnie chroniona w DNA i w postaci DNA kopiowana do potomnych komórek – przetwarzana jest najpierw na kwas rybonukleinowy (RNA), a ten jest następnie odczytywany i tłumaczony na język białek. W procesie tym litery kodu genetycznego, ustawione w trójki zwane kodonami, sterują składaniem białka, aminokwas po aminokwasie. Rybosom, zbudowana z dwóch podjednostek (określanych po prostu jako mała i duża) grudka splecionych białek i RNA, jest kluczowym elementem tego procesu.

To rybosom zapewnia środowisko dla procesu tłumaczenia (technicznie: translacji) sekwencji informacji genetycznej na nowopowstające białko. Części składowe rybosomu przyjmują kolejne, przypisane do RNA, litery-aminokwasy mające znaleźć się w białku. Kieszonki uformowane w powierzchni rybosomu tworzą miejsca, w których odpowiednie aminokwasy – dzięki związaniu się z krótkimi, pośredniczącymi w całym procesie fragmentami RNA – mogą rozpoznać kolejne trójki kodu genetycznego.

W jeszcze innym miejscu aminokwasy te dosłownie sklejane są ze sobą, tworząc kolejne „cegiełki” rosnącego białka. Trudno oprzeć się wrażeniu, że mamy tu do czynienia właśnie z bardzo wyspecjalizowanym robotem, który z jednej strony „czyta” informację genetyczną zupełnie jak głowica magnetofonu odczytująca przesuwającą się przez nią taśmę magnetyczną, a z drugiej strony – w zawrotnym tempie – na bazie tej informacji dokonuje biochemicznej syntezy nowych substancji.

Podstawowym problemem w odszyfrowaniu struktury rybosomu – tym samym, który napotyka się zresztą zawsze, kiedy celem jest zbadanie struktury skomplikowanych biocząsteczek – były rozmiary rybosomu oraz jego elastyczność. Odczytanie struktury cząsteczek można uzyskać dzięki wielu metodom – jedną z najbardziej skutecznych jest tzw. krystalografia rentgenowska. W metodzie tej wykorzystuje się zjawisko załamywania się promieni rentgenowskich na atomach budujących cząsteczki.

Aby z takiego ugięcia promieniowania dało się odczytać położenia poszczególnych atomów, cząsteczki substancji muszą być ułożone w powtarzające się wzory i struktury. Uporządkowanie takie spotykamy w kryształach – ale choć stworzenie kryształów na bazie substancji o małych cząsteczkach nie jest trudne, to krystalizacja cząsteczek o już całkiem pokaźnych rozmiarach, takich jak np. białka, to sztuka sama w sobie. Duże cząsteczki są bardzo sprężyste i mogą ustawiać się względem siebie na tyle różnych sposobów, że ich wykrystalizowanie wymaga ogromnej cierpliwości i bardzo skrupulatnego dobrania warunków takiego procesu. Prosta analogia: regularne ułożenie piłeczek tenisowych w pudle – tak aby tworzyły one ściśle powtarzający się układ – jest zadaniem względnie prostym. Spróbujcie jednak ułożyć na sobie w równie wojskowym porządku dwieście pluszaków. Przez długi czas sądzono, że otrzymanie kryształów o odpowiedniej jakości dla jeszcze większych tworów – takich jak rybosomy, zbudowane z wielu białek i poskręcanych łańcuchów RNA – to zadanie niemalże niewykonalne.

Wyścig po Nobla
Przełomowe prace, które utorowały drogę krystalografii rybosomów, wykonała wraz ze swoim zespołem Ada Yonath. Skupiła się na rybosomach bakterii z Morza Martwego, bardzo odpornych na wysokie stężenia soli (bakterie żyjące w środowiskach silnie zasolonych lub gorących są często wykorzystywane przy badaniu dużych biocząsteczek – rozumowanie jest takie, że skoro cząstki te wytrzymują na co dzień w tak trudnych warunkach, będą szczególnie stabilne również w trakcie ich badania). Ostatecznie otrzymała jedne z pierwszych kryształów zbudowanych z podjednostek bakteryjnych rybosomów. Jej prace doprowadziły też do wygenerowania pierwszych obrazów krystalograficznych – wciąż o niewielkiej rozdzielczości, ale pozwalających zgrubnie opisać najważniejsze szczegóły budowy rybosomu.

Prawdziwy wyścig o pierwszeństwo w opisaniu struktury rybosomu na dobre rozpoczął się w latach 90., kiedy rozwój technik obrazowania krystalograficznego pozwolił osiągać coraz lepszą rozdzielczość otrzymywanych obrazów, aż do skali atomowej. Decydujące były tutaj: schładzanie badanych próbek do bardzo niskich temperatur (dzięki czemu były one w stanie przetrwać bombardowanie agresywnym promieniowaniem X) oraz wykorzystanie akceleratorów (synchrotronów) jako źródeł bardzo precyzyjnie sterowanego promieniowania rentgenowskiego. Trzy wiodące zespoły ścigały się wtedy z czasem i ze sobą nawzajem: grupa Ady Yonath kontynuowała rozwój technik krystalizacji oraz analizy małej podjednostki bakteryjnego rybosomu, zespół Venkiego Ramakrishnana w Wielkiej Brytanii rozwijał metody obliczeniowe, pozwalające jeszcze dokładniej odczytać pozycje atomów w analizowanej strukturze, wreszcie grupa Toma Steitza na Uniwersytecie Yale atakowała strukturę podjednostki dużej.

Był to wyścig nie tylko naukowej wirtuozerii, ale także bardzo mocnych osobowości, doskonale świadomych naukowej doniosłości rozgryzanego problemu. W swojej książce „Maszyna genów” Ramakrishnan opisuje tę historię w dramatycznych szczegółach – łącznie z przyznaniem się do wielu wpadek i potknięć na drodze do wielkiego, finalnego odkrycia. Bez owijania w bawełnę opowiada on o nauce, jaka nieczęsto ląduje na pierwszych stronach gazet: w końcu przyzwyczajeni jesteśmy do podziwiania samych odkryć, milowych kamieni nauki. Znacznie rzadziej widzimy ludzką stronę odkrywców i emocje towarzyszące nauce, niejednokrotnie bardzo przyziemne (poza radością, ekscytacją czy zapałem obejmujące też zazdrość, złośliwość czy otwartą niechęć). Mimo swojej zaciętości, wyścig okazał się bardzo produktywny i na początku XXI w. zaowocował serią publikacji, które ostatecznie wypełniły kolejną fundamentalną lukę w naszej wiedzy o biologii molekularnej. Rybosom przestał być mroczną tajemnicą. Od tamtej pory każdy może obejrzeć go sobie – atom po atomie, z oszałamiającą precyzją. Trójka odkrywców – Yonath, Ramakrishnan i Steitz – w 2009 r. została uhonorowana za ten niemalże dwudziestoletni maraton Nagrodą Nobla z chemii.

Nowa generacja antybiotyków
Niemal równocześnie z publikacjami pierwszych struktur rybosomu zaczęto się zastanawiać nad praktycznym znaczeniem tego odkrycia. Czy była to tylko sztuka dla sztuki? Kolejne ćwiczenie w układaniu atomowych puzzli, pozwalające kilku uczonym wylądować na stałe w podręcznikach do biochemii, ale niemające poza tym żadnego konkretnego wpływu na nasze codzienne życie?

Dzięki żmudnej pracy krystalografów molekularnych dość szybko udało się zidentyfikować mechanizm działania wielu znanych wcześniej antybiotyków, opierający się na wiązaniu się cząsteczek tych antybiotyków z bakteryjnymi rybosomami i blokowaniu translacji kodu genetycznego. Struktura rybosomu otworzyła również nowe możliwości projektowania leków – przez wyeksponowanie nieznanych wcześniej szczegółów budowy „białkowych fabryk” znaleźliśmy nowe potencjalne cele dla kolejnych generacji skuteczniejszych antybiotyków.

Coraz głośniej mówi się również o bezpośrednim wykorzystaniu niezwykłej zdolności rybosomów do produkowania biopolimerów. Już teraz potrafimy stosować wolne rybosomy, zawieszone w roztworze i zmuszone do syntetyzowania konkretnych białek według naszego widzimisię. Ale przecież nic nie stoi na przeszkodzie, aby wytworzyć zmodyfikowane rybosomy zdolne do produkowania polimerów z aminokwasów nieznanych w przyrodzie, lub nawet z zupełnie innych niż aminokwasy cegiełek składowych. Wraz z wyjaśnieniem struktury najważniejszej maszyny molekularnej na Ziemi dostaliśmy do rąk niezwykłe narzędzie – kolejne generacje badaczy zdecydują o tym, jak potencjał tej nanofabryki zostanie wykorzystany w medycynie i przemyśle.

Szymon Drobniak

Dofinansowano z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu „Otwarta Nauka w Centrum Kopernika”.