Biotechnologia.pl: Jest pan adiunktem w Zakładzie Chemii Bioorganicznej Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej. Spośród wielu dziedzin nauki, dlaczego to właśnie chemia stała się pana życiową drogą?

Dr hab. Marcin Drąg

Dr hab. Marcin Drąg: Zawsze lubiłem chemię i biologię i nauka tych przedmiotów sprawiała mi przyjemność. Szczególnie chemia, która pozwala na wyjaśnianie zjawisk nas otaczających na poziomie pojedynczej cząsteczki, czy atomu. Na studiach zainteresowałem się wyjaśnianiem procesów chemicznych zachodzących w układach biologicznych. Bardzo ciekawiło mnie przede wszystkim modulowanie aktywności żywych komórek przy użyciu małych cząsteczek chemicznych. Takim badaniom podporządkowałem swój doktorat, którego promotorem był prof. Paweł Kafarski, a który dotyczył projektowania i syntezy inhibitorów enzymów. 

Co takiego szczególnie fascynującego znajduje pan w chemii bioorganicznej? Dlaczego w pewnym okresie swojego życia postanowił pan związać swoją karierę zawodową konkretnie z tą dyscypliną nauki?

W czasie doktoratu poznałem „kuchnię” chemii bioorganicznej, czyli jak tworzyć małe cząsteczki chemiczne, które blokują działanie ważnych medycznie enzymów. W moim przypadku były to enzymy proteolityczne, które są bardzo ważnym celem przy poszukiwaniu nowych terapii i leków. Z drugiej strony, nawet obecnie bardzo mało wiadomo o ich zaangażowaniu w powstawanie niektórych chorób. Badania w zakresie chemii bioorganicznej oraz chemii biologicznej umożliwiły mi zaangażowanie się w proces poznawania funkcji proteaz. Szczególnie zainteresowało mnie określanie specyficzności substratowej tych enzymów przy użyciu bibliotek kombinatorycznych substratów oraz inhibitorów. Badania te wymagały dobrej znajomości chemii, a także biologii. Dlatego swoją wiedzę chemiczną po studiach i doktoracie postanowiłem uzupełnić o biologię molekularną. W tym celu wybrałem się na staż podoktorski do laboratorium prof. Guya Salvesena w Sanford Burnham Medical Research Institute w San Diego w Kalifornii. Badania tam prowadzone pozwoliły mi z innej perspektywy spojrzeć na naukę, a także nauczyłem się bardzo wielu nowych technik.

Obecnie pańska działalność naukowa kontynuowana jest na Politechnice Wrocławskiej. Czym wyróżnia się ta uczelnia na mapie polskiego szkolnictwa wyższego? Jakie możliwości oferuje ludziom chcącym realizować się zarówno akademicko, jak i zawodowo w naukach chemicznych?

Politechnika Wrocławska jest jedną z wiodących uczelni w Polsce. Wracając z USA, miałem tutaj zapewnione pewne zaplecze do badań, które następnie zostało uzupełnione grantem Fundacji na Rzecz Nauki, z pomocą którego udało mi się kupić niezbędną do badań aparaturę badawczą, a także wyremontować dwa laboratoria. Na Politechnice mam obecnie bardzo dobre warunki do badań, a co przede wszystkim najważniejsze całkowitą swobodę naukową. To ja decyduję, jakie problemy naukowe będę rozwiązywał i nic nie jest mi narzucane odgórnie. Mam także grupę świetnych doktorantów, którzy mają bardzo duży wkład w prowadzone przeze mnie badania. Z perspektywy akademickiej bardzo ciekawym jest obserwowanie, jak nabierają oni doświadczenia i stają się kandydatami na rasowych naukowców.

Niedawno przeprowadził pan przełomowe badania w zakresie enzymów proteolitycznych, których zasadniczą funkcją jest rozkład białek. Czym wcześniej zajmował się pan i pańscy współpracownicy? Czy wcześniejsze doświadczenia miały jakiś związek z tym najnowszym odkryciem?

Zarówno ja jak i moi współpracownicy z USA i Nowej Zelandii zajmujemy się badaniami enzymów proteolitycznych praktycznie przez całą karierę zawodową i posiadamy spore doświadczenie w tej dziedzinie. Obecne badania zostały zainicjowane przeze mnie, a współpracownicy z zagranicy wnieśli ważny wkład w eksperymenty biologiczne. Problemem zastosowania nienaturalnych aminokwasów na dużą skalę w badaniu specyficzności substratowej zająłem się już w czasie stażu podoktorskiego. Swoją hipotezą najpierw zainteresowałem przełożonego, który pozwolił mi na realizację tego projektu. Tam też wykonałem pierwsze eksperymenty dla najprostszego układu, jakim są proteazy z grupy aminopeptydaz. Wyniki tych badań opublikowaliśmy w 2010 roku. Po powrocie do Polski  zająłem się najbardziej skomplikowaną i najbardziej liczną grupą proteaz - endopeptydazami. Wyzwanie było duże, gdyż wiedziałem że takie badania prowadzone były już wcześniej przez inne grupy badawcze i nie zakończyły się powodzeniem. Wymagało to stworzenia całkowicie nowej hipotezy badawczej, a w szczególności zaprojektowania nowego typu bibliotek kombinatorycznych. Przez kolejne kilka lat prowadziłem ze swoimi doktorantami bardzo wnikliwe badania nad udowodnieniem założeń eksperymentalnych. We wszystkich tych badaniach bardzo pomocnym było wsparcie finansowe przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej oraz Narodowe Centrum Nauki.

Czy wystąpiły jakieś przeszkody w trakcie trwania eksperymentu? Który z etapów sprawiał najwięcej trudności?

Oczywiście było wiele niepowodzeń, ale nie nazwałbym ich porażkami, tylko próbami optymalizacji metody, gdyż wszystkie ważne etapy naszych badań zostały w pełni zrealizowane i nie mogę powiedzieć, że coś nam się w ogóle nie udało. Takie niepowodzenia wymagające korekcji strategii eksperymentalnej to chleb powszedni badań naukowych. W całych badaniach chyba najtrudniejsze było zaprojektowanie całej struktury biblioteki, optymalizacja warunków syntezy, a następnie walidacja wyników.

Przełom pańskiego badania opiera się na wynalezieniu nowoczesnej metody analizy proteaz, której wyrazem jest technologia HyCoSuL. Jak bardzo jest rozbudowana baza substratów HyCoSuL? Ile znajduje się w niej aminokwasów nienaturalnych?

W chwili obecnej każda z bibliotek zawiera oprócz 19 naturalnych aminokwasów (cysteina jest pomijana w tego typu bibliotekach ze względu na łatwość utleniania) od 100 do nawet 140 nienaturalnych aminokwasów. Oczywiście bibliotekę można rozszerzyć o dowolną ilość aminokwasów. Pewną zaporą jest tutaj cena. Niektóre aminokwasy mogą kosztować nawet tysiące Euro za gram.

Czy część aminokwasów nienaturalnych powstała w państwa laboratoriach?

Wszystkie aminokwasy użyte w bibliotece są kupione od zaufanych, komercyjnych dostawców. Muszą one zawierać odpowiednie grupy ochronne umożliwiające bezpieczną syntezę pożądanych pochodnych. W przypadku nowych aminokwasów sprawdzamy ich reaktywność oraz przydatność do syntezy. Wybieramy aminokwasy w ten sposób, by ich struktury były możliwie najbardziej zróżnicowane.

Czy czasochłonne jest wytworzenie przykładowego peptydowego substratu fluorogenicznego? Jeśli tak, to jak bardzo?

Przy obecnie posiadanym doświadczeniu jesteśmy w stanie zsyntezować, oczyścić i potwierdzić czystość oraz strukturę jednego, indywidualnego substratu w czasie około 1 tygodnia. Niemniej synteza całej biblioteki, która odbywa się równolegle, zajmuje kilka miesięcy, wliczając w to zaprojektowanie struktury biblioteki, przygotowanie wszystkich niezbędnych odczynników, dokładne zaplanowanie wszystkich etapów syntezy (jest ich kilkadziesiąt, a pomyłka w którymkolwiek skutkuje zniszczeniem całej biblioteki), następnie syntezę oraz walidację przy użyciu indywidualnych substratów.

Co takiego wyjątkowego jest w ludzkiej elastazie neutrofilowej, że wybrano ją na pierwszy enzym, który został zbadany metodą HyCoSuL?

Neutrofilowa elastaza została wybrana do naszych badań, gdyż w aspekcie biologicznym jest ona zaangażowana w proces nowotworzenia, w szczególności w rozwój nowotworów płuc. Bierze ona także udział w procesie zwalczania patogenów, co wykorzystaliśmy w naszych badaniach biologicznych.

Czy istnieją plany opatentowania technologii HyCoSuL?

Nie planujemy patentowania. Moje osobiste przekonanie jest takie, że pracujemy nad tymi projektami za publiczne pieniądze i wydaje mi się, że udostępniając tą technologię w pewien sposób zwracamy dług. Każdy za darmo będzie mógł czerpać z niej korzyści, co być może zaowocuje jeszcze ciekawszymi odkryciami. Z drugiej strony mogę powiedzieć, że w pewnym momencie, kiedy prezentowałem te wyniki na konferencjach, były firmy zainteresowane patentowaniem, natomiast skala możliwości wykorzystania stworzonej biblioteki proces patentowania uczyniłaby bardzo skomplikowanym i drogim, a także w miarę nieskomplikowanym do obejścia dla osoby doświadczonej w tej dziedzinie.

Czy z zasobów tej bazy będą mogły korzystać inne zespoły badawcze? Czy przewidziane jest udostępnienie jej zawartości także podmiotom zagranicznym? Jeśli tak, to na jakich warunkach?

Oczywiście publikacja spowodowała bardzo duże zainteresowanie zastosowaniem tej technologii do badania innych enzymów proteolitycznych. Prowadzimy obecnie współpracę z kilkunastoma grupami badawczymi z całego świata. Bibliotek staramy się raczej nie udostępniać. Enzymy są przysyłane do nas i tu na miejscu prowadzimy wszystkie badania, co daje nam całkowitą kontrolę nad projektem

Jak ocenia pan komercyjny potencjał swego odkrycia? Jakie branże mogą być nimi zainteresowane?

Potencjał komercyjny jest dosyć duży, gdyż substraty fluorogeniczne są używane przez setki grup badawczych na całym świecie w dużych ilościach. Kilka miligramów standardowego substratu kosztuje od kilkuset do nawet kilku tysięcy dolarów. Niemniej jednak, mnie osobiście, strona biznesowa odkrycia za bardzo nie interesuje. Wolę bardziej poświęcić się dalszym badaniom i nowym odkryciom.

Jak duże nakłady finansowe są potrzebne, aby baza HyCoSuL rozwijała się bez przeszkód i jak najlepiej spełniała swoją funkcję?

Będziemy w najbliższym czasie aplikować do instytucji przyznających granty o dalsze finansowanie badań. Do przebadania zostało jeszcze kilkaset enzymów, więc pomysłów na ciekawe projekty nie zabraknie. Mam także kandydatów wyrażających chęć włączenia się w kontynuację tych badań u nas w Polsce, więc chciałbym rozszerzyć grupę badawczą, a na to także będą potrzebne pieniądze.

Niektóre choroby związane są z zaburzeniem funkcjonowania proteaz w ludzkim organizmie. Jak pańska praca badawcza może przyczynić się do rozwoju medycyny pod kątem leczenia tego rodzaju schorzeń?

Przede wszystkim nasze odkrycie może przyczynić się do stworzenia nowych, bardziej czułych, a także w miarę tanich markerów do monitorowania aktywności proteaz w organizmie. Mam nadzieję, że umożliwi to szybszą diagnostykę kliniczną, a tym samym zwiększy wykrywalność chorób we wczesnych fazach, wtedy kiedy są one jeszcze w miarę łatwo uleczalne. Kolejnym możliwym zastosowaniem jest identyfikacja tak zwanej struktury wiodącej, która następnie może być wykorzystana do optymalizacji struktury nowego leku.

Czym pan i pracujący pod pana kierownictwem naukowcy zamierzają zająć się w najbliższej przyszłości?

W chwili obecnej pracujemy nad kilkoma ważnymi grupami proteaz (w sumie kilkadziesiąt enzymów). Prowadzimy w tym zakresie współpracę z instytucjami akademickimi oraz firmami farmaceutycznymi z kilku krajów. Na przykład, w ostatnim czasie udało nam się stworzyć specyficzne substraty dla kaspaz będących kluczowymi proteazami regulującymi cykl programowanej śmierci komórki - apoptozy. Stworzenie takich substratów, mimo wielu prób innych grup badawczych, było uważane za niemożliwe i miało umowny status „Świętego Graala” wśród naukowców zajmujących się apoptozą. Nasze specyficzne substraty znacznie ułatwią dalsze badania nad kaspazami i ich rolą w apoptozie. Praca z wynikami tych badań jest obecnie w recenzji.

Życzymy więc sukcesów w poszukiwaniu „Świętego Graala” chemii bioorganicznej.

Dziękuję bardzo.

Rozmawiał Dawid Wojtowicz