Glava polna ribosomov

Na Kemijskem inštitutu se je 30. novembra odvil drugi Simpozij Janka Jamnika, kjer so svoje odmevne dosežke predstavili mladi slovenski raziskovalci in raziskovalke. Dogodek je v okviru Preglovega kolokvija s predavanjem zaokrožila Nobelova nagrajenka za kemijo 2009 Ada Yonath iz Weizmannovega inštituta znanosti v Izraelu. Nagrajena je bila za svoj prispevek k raziskavam atomske zgradbe in mehanizma ribosoma. S še vedno prisotno znanstveno iskro radovednosti nas je popeljala na njeno tridesetletno raziskovalno popotovanje do Nobelove nagrade. Predavanje je sklenila s svojim aktualnim raziskovalnim delom in mislimi o prihodnosti razvoja antibiotikov. Preživetje celice sloni na natančno reguliranem prenosu informacij. Pri tem so ključni nosilci informacije tri vrste molekul. Molekula DNA, molekule RNA in proteini. DNA je primarni vir vseh informacij, ki so dosledno zapisane v genih. Glede na potrebe celice se posamezni geni prepišejo v obveščevalno molekulo RNA, ki informacijo prenese do ribosomov. Tam pa se informacija, zapisana v obliki molekule RNA, prevede v zaporedje aminokislin, ki tvorijo protein, odgovoren za opravljanje določenih nalog v celici. Takole je proces prepisovanja genov poenostavljeno povzela profesorica Yonath.

/////////////////////////////////////////////////////// Genetski zapis je v DNA in vsebuje samo štiri črke. Jezik genetike celotnega življenja vsebuje samo štiri črke! In te črke, v kombinacijah po tri, kodirajo aminokisline, ki gradijo proteine. Obstaja 20 različnih aminokislin in vsa ta informacija se nahaja znotraj dvojne vijačnice, v baznih parih DNA Ampak informacija na DNA se ne more uporabiti, saj je skrita za komplementarno DNA verigo. Zato se mora informacija najprej prepisati v informacijsko RNA. Šele ta se lahko potlej prevede v protein na ribosomih. ///////////////////////////////////////////////////////

Prav ribosomi pa so tisti del celotne prepisovalne verige, ki so v znanstvenici vzbudili največ zanimanja. Njihovo odkritje datira v petdeseta leta prejšnjega stoletja, ko je romunski znanstvenik George Emil Palade pod elektronskim mikroskopom v celicah opazil neznane granule. Številni znanstveniki so nato poskušali razvozlati strukturo ribosomov, toda brez uspeha. Poskusili so jih ujeti v kristale, s čimer bi se lahko poslužili visokoločljive rentgenske strukturne analize. Namreč šele z ribosomom, imobiliziranim v kristal, lahko z obsevanjem z rentgenskimi žarki dobimo natančno informacijo o atomski zgradbi molekule. Vendar so o možnosti kristalizacije dvomili, češ da je sestava ribosoma prekompleksna. Toda Adi Yonath neraziskana struktura ni dala miru.

/////////////////////////////////////////////////////// Tedaj se je ekspedicija odpravila na severni tečaj, da bi ugotovili, kaj se dogaja v celicah polarnih medvedov med zimskim spanjem, kako sploh delujejo. In prišli so do spoznanja, po njihovem mnenju nepomembnega, a zame ključnega, da se ribosomi tesno zložijo na notranji strani celične membrane, pri čemer so zloženi bolj kot ne periodično in zelo zgoščeno. To mi je podalo jasen odgovor, da je ribosome mogoče zadržati. Največji znanstvenik tega ne zmore, toda vsak medved, vsako zimo?? ... Zagotovo je mogoče!! ///////////////////////////////////////////////////////

Pozornost Ade Yonath so vzbudili gosto zloženi ribosomi v celicah severnih medvedov v stresnem okolju, ki so jo spominjali na proces kristalizacije. Opažena podobnost ji je vlila upanja, da je ob specifičnih pogojih imobilizacija v kristal vendarle mogoča. Ribosome je ekstrahirala iz termofilne bakterije ter iz bakterij Mrtvega morja in jih po številnih neuspelih poskusih po štirih letih prvič uspešno kristalizirala. Nastali kristali so znanstvenici ter njeni raziskovalni skupini z nemškega inštituta Max Planck omogočili podrobno analizo molekularne zgradbe in organiziranosti s pomočjo natančne tehnike, rentgenske kristalografije, iz katere je med drugim leta 1968 doktorirala. Gre za visokoobčutljivo tehniko, kjer v kristal molekul neznane strukture pošljemo rentgenske žarke. Ti žarki se na kristalu sipajo. Z nadaljnjo meritvijo kotov in jakostjo sipanih žarkov določimo atomsko tridimenzionalno strukturo kristala. Kljub začetnim uspehom ter vse boljšim posnetkom kristala molekul ribosoma se je pojavljala težava, da so se kristali poškodovali ob rentgenski analizi. Rentgenski žarki namreč oddajajo veliko količino energije, veliko večje, kot je energija kemijskih vezi. Posledica je razpad vezi zaradi vzbujenih elektronov. Porušena vez pa v molekularnem svetu rezultira v porušeno strukturo molekule. Zato je Ada Yonath razvila novo, danes po vsem svetu razširjeno tehniko, kriokristalografijo. Pri tem je bistveno, da kristale tekom izpostavitve rentgenskim žarkom zamrznemo pri minus 195 stopinjah Celzija. Zmanjšana termična energija se odraža v počasnejši difuziji radikalov. Pri nizkih temperaturah kemijske reakcije potekajo počasneje. Z dovršeno tehniko so tako uspeli posneti prek 18 000 ribosomalnih struktur ter definirati sestavo in obliko tega pomembnega makromolekularnega kompleksa, kar ji je desetletje kasneje prineslo Nobelovo nagrado. Glede na dognano je ribosom kompleks proteinov in ribonukleinskih kislin, torej molekul RNA. V vsaki človeški celici jih najdemo od 4 do 6 milijonov. Njihovo zgradbo slikovito opiše Yonath.

/////////////////////////////////////////////////////// Ribosome si lahko predstavljamo kot dvonadstropno tovarno. V zgornjem nadstropju dobijo navodila za izdelavo proteinov v obliki genetskega koda, v spodnjem nadstropju pa se tvorijo vezi med aminokislinami. V pravih tovarnah se uporabljajo tovornjaki, v živih organizmih pa prinašajo material – aminokisline – molekule prenašalne tRNA. Ko prispe primerna informacija, zapisana v nukleotidih, v ribosom, bo vstopila prenašalna tRNA molekula, ki s seboj prinaša aminokislino. Ta se bo priključila k novonastajajočemu proteinu v spodnjem nadstropju tovarne, prenašalna RNA pa bo izstopila brez svojega tovora. Informacijska RNA se nato premakne za en kodon oziroma tri nukleotide. Ko informacija in tRNA opravita svojo nalogo, je sistem že pripravljen za njihov izvoz. Čisto enostavno! ///////////////////////////////////////////////////////

Predstavljeni osrednji mehanizem je enak za vse ribosome, razlike med evolucijo pa se pojavljajo v velikosti in kompleksnosti preostalega dela molekule. V predavanju se je doktorica Yonath dotaknila tudi izredno aktualne tematike, kateri se sedaj raziskovalno največ posveča. Ribosomi so tako zaradi svoje funkcije prevajanja v proteine kot tudi presenetljive podobnosti med organizmi zanimiva tarča za antibiotike. Z raziskovanjem strukture ribosoma zdaj razumemo, kako v resnici delujejo. A kar je še pomembneje, kako razlikujejo med človeškim in bakterijskim ribosomom ter s tem ne ogrožajo človeških celic. Patogeni organizmi so sposobni učinkovitega prilagajanja na okolje in posledično hitro razvijejo odpornost na antibiotike. Žal pa to za zdravje človeka predstavlja resno težavo. Tako imenovana postantibiotična doba, ki se po napovedih obeta, bo kot posledica visoke odpornosti bakterij v svet vrnila bolezni, kot je denimo sicer zatrta MRSA. Po besedah Yonathove je letna izguba kapitala na račun bakterijske odpornosti štiri odstotke, kar pa še vedno ne pritegne vlagateljev v razvoj novih antibiotikov. /////////////////////////////////////////////////////// To preprosto ni ekonomično. Antibiotike se jemlje nekaj dni, največ nekaj tednov, medtem pa imaš koktajle zdravil za ostarele ljudi proti visokemu pritisku, zdravila proti alzheimerju in raku … Jasno, ta zdravila je treba jemati vsaki dan, ne samo dva do tri tedne, da se okužba odpravi. Sama ne verjamem, da bomo kdaj lahko dokončno zaobšli razvoj rezistence na antibiotike pri bakterijah, ker bakterije želijo preživeti in ker so pametnejše od nas. Vsaj v smislu preživetja. Kljub temu pa smo v našem laboratoriju sklenili raziskati rezistenco in nove možnosti za antibiotike. ////////////////////////////////////////////////////// S primerjavo ribosomov patogenih in neškodljivih bakterij so se že uspešno dokopali do prenekaterih strukturnih razlik in identificirali 25 potencialnih tarčnih lokacij za nove antibiotike. Kot dodaja raziskovalka, bakterije teh regij niso sposobne modificirati preko lastnega genoma! Morda je ključ do uspeha v molekularnih specifikah ribosoma. Ali pač v slepem iskanju skritih deficitov evolucijskega razvoja? Te predpostavke so zaenkrat še zavite v tančico. A nadaljnje raziskovanje ribosoma bo podalo globlja spoznanja in, kdo ve, morebiti odprla pot antibiotikom nove generacije.

Nobelovo nagrado z obeti Ade Yonath so za vas prevedli ribosomi vajenca Erazma.

Vlogo Ade Yonath je igrala Ajda.