Czemu badania z obszaru biologii strukturalnej są tak istotne z punktu widzenia poznawczego?

Zrozumienie tego jak cząsteczki, z których składają się żywe organizmy działają na poziomie poszczególnych atomów jest kluczowe, żeby zrozumieć jak działa życie i jak powstają różne choroby. Możemy wyobrazić sobie organizm jako mechanizm zegarka, w którym każdy z trybików jest w stanie wykonywać swoje zadania tylko dlatego, że ma określony kształt, wielkość, położenie w systemie itp. Jest to może dość odległa analogia, ale rzeczywiście w organizmach żywych makromolekuły spełniają swoje funkcje właśnie dzięki temu, że mają określony kształt, położenie atomów czy grup chemicznych w swojej strukturze.

Nie jest to chyba nawet na tyle odległa analogia – te białka są z jednej strony bardzo niewielkie, a z drugiej niezwykle skomplikowane. Dokładnie tak jak trybiki w zegarku…

Funkcje białek czy rodzaje pracy przez nie wykonywanej zależą przede wszystkim od ich budowy chemicznej. Tak jak Pan wspomniał, ma ona dwie zasadnicze cechy. Po pierwsze, makromolekuły są obiektami niezwykle małymi – gdybyśmy chcieli ludzki organizm powiększyć do rozmiarów, w którym te makromolekuły osiągną wysokość 5 cm, ciało człowieka należałoby przeskalować odpowiednio do wysokości 20.000 km, czyli połowy obwodu równika! Po drugie, są nad wyraz skomplikowane – dobrze znana wszystkim cząsteczka wody składa się z 3 atomów (2 atomy wodoru, 1 tlenu), cząsteczka zaś stosunkowo niewielkiego białka, które występuje w naszym organizmie składa się z 1000 atomów. I to jeszcze nie jest skomplikowana struktura, jeśli porównamy ją np. do struktury proteasomu, czyli takiego „zsypu komórkowego”, w którym kończą życie uszkodzone i niepotrzebne białka. Jest to kompleks białkowy złożony z 50 tysięcy atomów!

Pomimo tej skomplikowanej budowy chemicznej, istnieją już metody naukowe, pozwalające te struktury badać i wizualizować. Jakie to metody?

Faktycznie mamy dziś metody eksperymentalne, które pozwalają nam poznawać struktury cząsteczek na ogromnym poziomie szczegółowości. Przez kilkadziesiąt lat biologię strukturalną dominowała krystalografia białek, która pozwalała wizualizować cząsteczki w zasadzie na poziomie poszczególnych atomów. Metoda ta polega na uzyskaniu małych kryształków badanych molekuł, które następnie są umieszczane w bardzo cienkiej wiązce promieniowania Roentgena. Jeśli za takim kryształem postawimy ekran, to przy odpowiednio korzystnych warunkach zaobserwujemy tzw. wzór dyfrakcyjny. Po zarejestrowaniu tego wzoru, za pomocą odpowiedniego oprogramowania jesteśmy w stanie obliczyć rozkład elektronów w tym krysztale. Następnie atom po atomie, reszta chemiczna po reszcie chemicznej budujemy model strukturalny tej makrocząsteczki. Pierwsze struktury przestrzenne białek określono już w latach 50. XX w. i wówczas było to moim zdaniem osiągnięcie porównywalne z wysłaniem człowieka na Księżyc.

Potem do krystalografii dołączył magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), a ostatnie lata to absolutna rewolucja rozwoju metod opartych o mikroskopię elektronową. Przez ostatnie 3-4 lata postępy technologiczne w mikroskopii elektronowej pozwoliły wykorzystać tę metodę do najbardziej skomplikowanych i złożonych maszyn molekularnych w naszym organizmie, które były wcześniej nieosiągalnym świętym Graalem biologii strukturalnej. Jednym z takich spektakularnych przykładów jest białko, które generuje peptydy tworzące złogi w mózgu w chorobie Alzheimera – gamma sekretaza. Dzięki mikroskopii elektronowej wiemy już jak jest zbudowane i jak działa to białko. Może będzie to jakiś pierwszy krok w stronę skutecznej terapii, tego jeszcze nie wiemy. Inny przykład – przez dziesiątki lat badacze próbowali różnymi metodami poznać wielki, złożony kompleks różnych białek i cząsteczek RNA, który składa cząsteczki mRNA (messenger RNA). Początkowo mRNA występuje w bardzo długiej formie, a potem musi być poskładany do formy krótszej, która będzie kodować tą właściwą, potrzebną informację. Dziś już znamy budowę tego kompleksu. Próbuję przez to pokazać, że to wciąż żywa metoda, która ciągle się rozwija i jest absolutnie fundamentalna z punktu widzenia poznawczego i praktycznego – pytania, pozostające do tej pory bez odpowiedzi znajdują rozwiązania. Mimo że obecnie najszerzej stosowaną metodą w naszym Instytucie jest krystalografia, chcemy się też stać częścią rewolucji związanej z mikroskopią elektronową na zamrożonych próbkach, w warunkach kriogenicznych. Bardzo intensywnie pracujemy nad tym, by wdrożyć tę metodę w Polsce.

Podczas spotkania w Centrum Nauki Kopernik, gdzie miałem przyjemność poznać Pana i innych polskich grantobiorców, podkreślał Pan, że w badaniach kluczowy jest ten aspekt poznawczy. Czy to oznacza, że nie chcą po prostu kreować Państwo złudnych nadziei i „obiecywać” ludziom tego mitycznego już „lekarstwa na raka”?

Mówiąc o aspekcie medycznym, naprawa DNA jest silnie powiązana z nowotworzeniem. Pamiętajmy, że nowotwory to nie jedna choroba, a 200 różnych chorób, a jeden guz może składać się z wielu rodzajów komórek o różnym tle genetycznym. Czy wobec tego należy oczekiwać od naukowców wypracowania jednej, uniwersalnej terapii? Bezpośrednim i nadrzędnym celem naszych badań nie jest stworzenie takiej terapii, a raczej poznanie podstawowych procesów biologicznych. Badamy naprawę DNA, czyli „przepisu” na każdy żywy organizm. To są złożone, bardzo efektywne i sprytne mechanizmy – ten „przepis” musi być nietknięty. Wystarczy jeden, niewielki defekt, by komórki zaczęły się dzielić w sposób niekontrolowany, prowadząc do powstania nowotworu. Znaczenie tych badań zostało doceniono w 2015 r., kiedy za odkrycie naprawy DNA i jej scharakteryzowanie przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Oczywiście nie jest też tak, że my nie prowadzimy badań o charakterze aplikacyjnym w ogóle. W naszym laboratorium powstała grupa, która zajmuje się określaniem struktur przestrzennych, jako usługi dla firm farmaceutycznych. Kiedy firma opracuje cząsteczkę, która potencjalnie ma być lekiem, to ona jest niedoskonała, trzeba ją poprawić przez dodanie kolejnych grup chemicznych, zmodyfikowanie jej własności. To staje się znacznie łatwiejsze, kiedy znana jest struktura białka ze związanym potencjalnym lekiem. Dlatego my współpracujemy w Polsce z dwoma bardzo prężnymi, profesjonalnymi firmami farmaceutycznymi, które rozwijają zupełnie nowe leki. Rozwiązujemy dla nich takie skomplikowane struktury i to są projekty, w których opracowane mają być właśnie leki do terapii antynowotworowych. Wprowadzenie nowego leku na rynek trwa do 15 lat i może kosztować nawet miliard dolarów - tego potencjału jeszcze w Polsce nie ma, tym mogą się zająć tylko absolutne giganty farmaceutyczne. Jeszcze raz podkreślę, że większość naszej działalności stanowią badania podstawowe – my chcemy poznać procesy naprawy DNA. Napędza nas tak naprawdę czysta ludzka ciekawość, ale większość wynalazków i innowacji rodzi się jako konsekwencja świetnych badań podstawowych, szczególnie w naukach biomedycznych.

A nie czuje Pan, że w Polsce zbyt gloryfikujemy te badania typowo aplikacyjne, umniejszając roli badaniom podstawowym?

Oczywiście, że to dostrzegam i to nie tylko w Polsce. Po pierwsze, badania podstawowe nie są tak spektakularne – nie sprzedamy na ich bazie licencji firmom za kilkadziesiąt milionów euro czy dolarów. Po drugie, są dość hermetyczne i trudne do zrozumienia dla większości społeczeństwa – czasem są to bardzo szczegółowe procesy i wymagana jest ogromna wiedza, by zrozumieć ich znaczenie. Ja z kolei nie umniejszam roli badań aplikacyjnych jako tych, które przekładają się bezpośrednio na rozwój gospodarki, ale silnie wierzę w to, że nie będzie znakomitych badań aplikacyjnych, bez znakomitych badań podstawowych. Ponadto badania podstawowe pozwalają naukowcom stworzyć profesjonalny warsztat, nauczyć się odpowiednich metod, posiąść szeroką wiedzę i w konsekwencji przeprowadzać doświadczenia na najwyższym poziomie technicznym.

To przekonanie o kluczowej roli badań podstawowych chyba pomogło w zdobyciu grantu od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, bo ta przecież kieruje się podobną filozofią?

Tak, ERC w swoim założeniu finansuje przełomowe badania podstawowe, ale też docenia przyszły potencjał aplikacyjny takich badań. Grantobiorcom ERC oferuje dodatkowe granty nazwane „Proof of Concept”, których celem jest wykazanie potencjału aplikacyjnego ich wyników. Można tu mówić o pomoście między badaniami podstawowymi a wdrożeniowymi, co dowodzi tylko tego, że takie podejście faktycznie działa. Jednak głównym celem projektów ERC pozostają badania podstawowe. Podczas rozmowy z komisją grantową nie musiałem więc uzasadniać istotności badań podstawowych, a raczej potrzebowałem przekonać członków panelu, że temat, którym chcę się zająć jest ciekawy i że jest w nim jakaś długofalowa wizja, która będzie realizowana nawet po zakończeniu grantu. Kluczowym talentem w nauce, szczególnie dzisiaj w dobie wszechobecnej i nieograniczonej informacji, jest znajdowanie istotnych luk w naszym rozumieniu świata. Trzeba wiedzieć co jest jeszcze nieznane, a przy tym warte poznania.

Na czym zatem krok po kroku polegała realizacja grantu ERC?

Grant zakończy się w przyszłym roku, gdyż udało mi się przedłużyć go o rok. Mieliśmy trzy zadania badawcze, które chcieliśmy zrealizować. Jedna ze ścieżek naprawy DNA polega na tym, że uszkodzony kawałek kodu genetycznego trzeba wyciąć i zastąpić nowym, nieuszkodzonym. Kluczowym elementem jest ten proces nacinania. Są specjalne enzymy (nukleazy), które zajmują się jednym z tych nacięć. Zostali opisani pacjenci, u których występują mutacje w tym enzymie. W momencie kiedy te defekty się pojawiają, pacjenci są bardzo wrażliwi na promieniowanie słoneczne, a konkretnie promieniowanie ultrafioletowe, które wywołuje uszkodzenie DNA. Zachodzą różne zmiany skórne, które bardzo szybko przekształcają się w nowotwory skóry. Mówimy wówczas o syndromie skóry pergaminowej. Jest to bardzo klarowny i uderzający przykład tego, jak podstawowy proces biochemiczny w komórce, który polega na nacinaniu uszkodzonego DNA, może przełożyć się na chorobę człowieka. Określiliśmy strukturę przestrzenną enzymu odpowiedzialnego za nacinanie DNA, opisaliśmy jak on działa i w jaki sposób znajduje to miejsce, w którym precyzyjnie musi naciąć DNA. Te nacięcia muszą być bardzo mocno kontrolowane – gdyby enzym zaczął szatkować materiał genetyczny w przypadkowych miejscach, wywołałoby to jeszcze więcej szkody. Opisaliśmy też w jaki sposób defekty enzymu, które pojawiają się u pacjentów wpływają na jego strukturę i działanie.

Drugi projekt dotyczył bakteryjnej naprawy DNA. Jeden z etapów polega na tym, że jedno z białek znajduje taki obszar DNA, w którym występuje uszkodzenie. Ten enzym robi to dość zgrubnie – skanuje DNA i w tej długiej nici helikalnej znajduje miejsce, które jest trochę bardziej elastyczne. 6 lat temu opisaliśmy jak to białko działa i to było bardzo ważnym odkryciem w naszym laboratorium, które było przepustką do grantu ERC. Teraz pracujemy nad poznaniem kolejnych etapów tego procesu. To jest nauka – nie wszystko kończy się w założonych ramach czasowych.

Jaka przyszłość czeka ten projekt, który niedługo wyjdzie właśnie poza ramy grantu?

Jednym z elementów pracy naukowej jest zdobywanie finansowania na swoje badania. Będę się więc starał o kolejne granty, które pozwolą mi kontynuować prace. Moim długofalowym celem, który przedstawiłem na rozmowie z komisją w Brukseli, jest stworzenie wizualizacji pokazującej, co dokładnie dzieje się na wszystkich etapach bakteryjnej naprawy DNA z wycinaniem nukleotydów – od pojawiania się uszkodzenia DNA, przez reakcje chemiczne białek, do momentu zakończenia naprawy. Chcielibyśmy przynajmniej ten proces bakteryjny opisać w sposób kompletny. Realizacja tej wizji znacznie wykracza poza ramy czasowe grantu i może zająć jeszcze kilka lat, ale będziemy mieć ogromną satysfakcję, jeśli doprowadzimy te prace do końca.