Baltymo struktūra – tarsi jo nuotrauka, leidžianti pažvelgti į molekulių pasaulį iš arčiau. O mokslininkams tenka nemažai padirbėti, kad tai pamatytų. Be baltymų struktūrų neišsiverčia ir baterijų ir priešvirusinių apsaugos sistemų tyrimai, kurių rezultatai jau apdovanoti Nobelio premija net du kartus – už genų ir genomų redagavimo įrankius. Pastarasis Europoje jau taikomas ir klinikoje – pjautuvinės anemijos gydymui. Bakterijų priešvirusinių apsaugos sistemų, kurias tiriant ir atrasti minėti įrankiai, šiuo metu žinome daugiau nei 100. „Tik nedaug jų charakterizuota. Todėl dar nežinome, ką rasime ir kaip jas mokslininkai sugalvos pritaikyti“, – sako Vilniaus universiteto (VU) Gyvybės mokslų centro (GMC) struktūrinės biologijos mokslininkė dr. Giedrė Tamulaitienė.
Struktūrinės biologijos srityje dr. G. Tamulaitienė dirba jau daugiau nei 20 metų. Neseniai jos tyrimai buvo publikuoti prestižiniuose „Science“ ir „Nature“ žurnaluose. Mokslininkė ne tik nustatinėja baltymų struktūras, bet ir kuria jų grožio įkvėptus paveikslus – vieną jų buvo galima pamatyti 2019 m. MO Muziejaus parodoje.
„Mes turimes posakį – kad struktūrinių biologų tikslas yra gražūs paveikslėliai (juokiasi). Iš tiesų, vienas iš maloniausių momentų darbe yra būtent baltymo struktūros gimimas. Pradžioje turiu eksperimentinius duomenis – tokius trimačius žemėlapius, elektronų tankio debesėlius, ir į juos pradedu modeliuoti baltymo struktūrą. Kompiuterio ekrane sukioju aminorūgštis, siekdama kuo tiksliau įtalpinti jas į tankio žemėlapį. Suprantu, kurioje vietoje kas turėtų išsidėstyti, ir taip po truputėlį gimsta struktūra, kurią po to matome paveikslėliuose. Nepaprastas jausmas toje naujoje struktūroje atrasti naują iki tol nežinomą mažą molekulę, netikėtas baltymų sąveikas ar sudėtingas baltymų spiralines struktūras“, – pokalbį pradeda dr. G. Tamulaitienė.
 |
 |
 |
| „Pavasaris“ | „Neišsipildžiusi svajonė“ | „Mimoza“ |
– Kiek laiko užtrunka šis procesas, kol pamatote baltymo struktūros vaizdą?
– Šiems vaizdams gauti naudojami keli metodai. Mes naudojame rentgenostruktūrinę analizę ir kriogeninės elektroninės mikroskopiją.
Pavyzdžiui, rentgenostruktūrinės analizės atveju, mus dominančio baltymo geną pirmiausia reikia klonuoti į pasirinktą raiškos sistemą, kad bakterijos daug to baltymo prigamintų, tada baltymas išgryninamas ir sukoncentruojamas. O tada jau prasideda struktūrinės biologijos etapas – pirmiausiai reikia gauti baltymo kristalus. Tai gali užtrukti labai ilgai, nes reikia išbandyti begales skirtingų sąlygų. Darbui palengvinti baltymų kristalinimui naudojame kristalinimo robotus.
Gavę kristalus, kurių kraštinės ilgis nesiekia milimetro, juos peršviečiame rentgeno spinduliais ir gauname kristalo difrakcijos vaizdą. Tuomet panaudodami sinchrotrono spinduliuotę, surenkame difrakcijos duomenų rinkinį. Pagal taškelių išsidėstymą ir jų intensyvumą, kompiuterinių programų pagalba gauname elektronų tankio žemėlapį. Tada pagal gautą žemėlapį jau galime modeliuoti baltymo struktūrą. Tai šis procesas tikrai dažniausiai užtrunka gana ilgai, nuo kelių mėnesių iki kelerių metų.
– Gaunate baltymo struktūrą, o kas toliau?
– Galima sakyti, kad baltymo struktūra yra tarsi jo nuotrauka. Tik ji ne dvimatė, o trimatė. Mes ją galime prisiartinti, apžiūrėti iš visų pusių, palyginti su kitų žinomų baltymų struktūromis. Turime tarsi sustabdytą to baltymo „gyvenimo“ momentą. Galime įvertinti, ar baltymas yra judrus, ar gali lankstytis. Taip galime bandyti nuspėti, kurios baltymo dalys yra svarbios konkrečiai jo funkcijai atlikti.
Kaip įsitikiname, kad baltymo dalis yra svarbi jo funkcijai? Paprasčiausia tą baltymo dalį tiesiog sugadinti. Įvedame taip vadinamas mutacijas. Jei mums pavyksta baltymą „sugadinti“ taip, kaip tikėjomės, vadinasi, atspėjome, kokia tos dalies funkcija.
– Kokie tai baltymai?
– Dažniausiai tyrinėju baltymus, kurie priklauso bakterijų priešvirusinėms apsaugos sistemoms. Šie baltymai padeda bakterijoms gintis nuo jas puolančių virusų (kurie vadinami bakteriofagais).
– O kodėl tiriate būtent šiuos baltymus? Kiek žinau, būtent tokie tyrimai padėjo atrasti genomų redagavimo įrankius, tokius kaip CRISPR-Cas9.
– Taip, teisingai. Galima sakyti, kad šioje srityje atsidūriau per atsitiktinumą. Kai studijuodama Vilniaus universitete ieškojau, kur atlikti praktiką, patekau į Biotechniologijos instituto laboratoriją, kurioje ieškojo naujų bakterijų priešvirusinių sistemų fermentų – restrikcijos-modifikacijos sistemoms priklausančių restrikcijos endonukleazių. Tada tai buvo bene vienintelė gerai žinoma ir tyrinėjama bakterijų priešvirusinė sistema. Restrikcijos endonukleazių tyrimai buvo įdomūs visų pirma todėl, kad jos buvo puikiai pritaikomos kaip genų karpymo įrankiai.
Kiek vėliau buvo atrastos kitos sistemos, garsiausia jų – jūsų paminėtas genomų redagavimo įrankis CRISPR-Cas9. Už genų ir genomų redagavimo sistemų atradimą ir pritaikymą buvo skirtos dvi Nobelio premijos.
– Kaip manote, į kokį pritaikymą galėtų vesti naujos žinios apie bakterijų priešvirusines apsaugos sistemas? Suprantu, kad jūsų tyrimai – fundamentiniai, todėl tokios prognozės yra sudėtingos, bet, kalbant apie CRISPR-Cas9, kaip tik visai neseniai Jungtinėje Karalystėje ir Europos Sąjungoje registruotas pjautuvinės anemijos gydymas, naudojant šį įrankį.
– Mokslui CRISPR-Cas9 atradimas buvo labai svarbus genomų redagavimui gyvose ląstelėse ir sudėtingesniuose organizmuose (augaluose, gyvūnuose), taip pat transgeninių organizmų sukūrimui. Transgeniniai gyvūnai kuriami mokslo tikslais siekiant gauti informacijos apie genų funkciją ir reguliavimą, taip pat ir apie žmonių ligas, bei norint gauti terapinių produktų – rekombinantinių farmacinių baltymų, kurie būtų naudojami žmonių gydymui. CRISPR-Cas technologija labai pagreitino ir atpigino šiuos metodus. Taip pat COVID-19 pandemijos metu įvairių CRISPR-Cas sistemų pagrindu buvo sukurti nauji diagnostiniai įrankiai.
Šiuo metu bakterijų apsaugos sistemų yra rasta virš 100, ir tik nedaug jų charakterizuota. Todėl dar nežinome, ką įdomaus surasime ir kaip mokslininkai šias sistemas sugalvos pritaikyti.
– Kokiu savo darbu labiausiai didžiuojatės?
– Labiausiai džiaugiuosi savo tyrimais Lietuvos mokslo tarybos (LMT) finansuotame projekte, kuris skirtas bakterijų priešvirusinės apsaugos sistemos „Thoeris“ tyrimams. Projekte analizavome bakterijų apsaugos sistemą „Thoeris“, pavadintą Senovės Egipto dievybės, gimdyvių ir vaisingumo globėjos vardu. Šią ir kitas 8 sistemas 2018 m. atrado Izraelio mokslininkai, kiekvieną jų pavadindami saugančių dievybių vardais.
Įdomu, kad viena apsaugos sistema gavo Gabijos vardą, pažymint lietuvių mokslininkų indėlį šioje srityje. Tirdami „Thoeris“ sistemą kartu su komanda nustatėme, kad užpuolus virusui ir „Theoris“ baltymui-jutikliui pagaminus signalinę molekulę, ją surišęs kitas šios sistemos baltymas yra „įjungiamas“: suformuojamas ilgas spiralės formos siūlas – filamentas, sunaikinantis vieną iš ląstelei būtinų medžiagų. Tokiu būdu bakterija „nusižudo“ ir neleidžia paplisti virusui. Šią spiralę aprašantis tyrimas šiais metais buvo publikuotas prestižiniame „Nature“ žurnale.
– Esate viena iš nedaugelio mokslininkų, kurie gali pasigirti ir paroda. 2019 m. surengėte parodą „Struktūrų istorijos“, MO muziejuje skaitėte paskaitą visuomenei apie baltymų struktūrų grožį, kaip jos įkvepia menininkus.
– Na, man baltymai tiesiog labai gražūs… Labai mėgstu daryti tiek mokslines iliustracijas, tiek šiaip struktūrų paveikslėlius. Pradžioje tai buvo tik mano pomėgis. Kai savo skyriuje sukaupėme daug struktūrų vaizdų, vadovas prof. Virginijus Šikšnys pasiūlė juos panaudoti padaryti kalendoriui. Apsiėmiau tai padaryti ir man labai patiko. Tai vyko 2009 m. Tai jau senokai (juokiasi).
Po to savo skyriuje taip pat sugalvojome pasikabinti struktūrų paveikslų. GMC komunikacijos specialistė Agnė Grinevičiūtė pamatė mūsų paveikslus, pasiūlė padaryti jų parodą. Taip pamažu gimė paroda GMC. Tada Centre kaip tik lankėsi prof. Viktoras Butkus, vienas iš MO muziejaus steigėjų, kuriam vienas mano paveikslų pasirodė panašus į naują kolekcijos paveikslą, kurio abstrakčios formos priminė baltymų struktūras. Taip vienas mano darbų „Pasirinkimas“ dideliu formatu buvo eksponuojamas MO muziejuje.
 |
 |
 |
| Bakterijų priešvirusinės apsaugos sistemos „Thoeris“ struktūra | „Pasirinkimas“ | „Mintys“ |
– Paskaitoje apžvelgiate vizualiųjų menų kūrėjus, kuriuos įkvepia baltymų struktūros. Gal galite keletą jų įvardinti?
– Lietuvoje tokių kūrinių daug nėra. Dažniausiai tokios baltymų skulptūros puošia didelius mokslo centrus, ligonines. Baltymus vaizduojantys menininkai bando atskleisti ne tik baltymų grožį, bet ir gilesnę jų prasmę – pavyzdžiui, JAV gyvenantis vokiečių skulptorius ir fizikas Julian Voss-Andreae baltymo kolageno struktūrą „išvynioja“ ir skulptūra tampa senėjimo metafora. J. Voss-Andreae kraujyje deguonį pernešančio baltymo hemoglobino skulptūra primena plieninę širdį. Kanadietis tapytojas Jacques Deshaies yra pasakęs, kad baltymai jam tokie gražūs, kaip ir gėlės.
– Kaip manote, ar gali mokslininkai ir menininkai vieni kitiems padėti?
– Žinoma, menininkų sukurtos mokslinių rezultatų iliustracijos gali padėti kitiems mokslininkams ir visuomenei suprasti atradimus, ką mokslininkai norėjo pasakyti, ką atrado, ir dar pateikti tai labai meniškai.
Menas gali padėti mokslą priartinti prie visuomenės. Žmonėms kartais atrodo, kad mokslas yra labai sudėtingas, todėl net neverta bandyti suprasti. Stebėdamas menininko sukurtą kūrinį, kiekvienas turi galimybę surasti savo santykį su mokslu ir pajusti gamtos grožį.
Manau, mokslo įkvėptą meną galima puikiai panaudoti ir kaip mokymo priemonę. Pavyzdžiui, moksleiviai kartu su biologijos ir dailės mokytojais gali kurti bendrus projektus. Tai įgalintų vaikus „prisiliesti“ prie mokslo. „Baltymų duomenų bankas“ (angl. Protein Data Bank) yra paruošęs projektą mokytojams su detaliomis metodikomis, kaip padėti vaikams pamėgti gamtos mokslus per baltymų struktūras. Galbūt vaikai po tokio projekto kada nors patys panorės nustatyti baltymų struktūras.
– Ačiū jums už pokalbį.
– Dėkoju ir jums!
Kalbėjosi Goda Raibytė-Aleksa
Nuotraukos iš dr. Giedrės Tamulaitienės asmeninio archyvo