Badania strukturalno – funkcjonalne białek organizmów

Piotr Henryk Małecki
Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Badania strukturalno – funkcjonalne białek organizmów
ekstremofilnych
Począwszy od wynalezienia prostych narzędzi przez naszych przodków, ludzka rasa
ciągle poszukiwała i wykorzystywała materiały ogólnodostępne w środowisku w celu
przeżycia i rozwoju. Obecnie wiedza o otaczającym nas świecie rozszerzyła się o skalę
molekularną, pozwalając nam ujrzeć i zrozumieć procesy zachodzące w cząsteczkach
makromolekuł, dając nadzieję na lepsze wykorzystanie ich w nowoczesnych gałęziach
przemysłu. Podczas gdy rosną społeczne obawy o środowisko, enzymatyczne metody mogą
zastąpić fizyczne czy chemiczne sposoby obróbki naturalnych produktów, a tym samym
spowodować zmniejszenie kosztów czy nakładów energii. Poszukiwanie naturalnych
mechanizmów wykorzystywanych przez organizmy wydaje się niezbędne w celu
zaoferowania innowacyjnych i ekonomicznie korzystnych rozwiązań dla gospodarki.
Enzymy są wydajnymi i często specyficznymi katalizatorami wspomagającymi
różnorodne reakcje chemiczne w organizmach jak również w warunkach laboratoryjnych i
przemysłowych.
Organizmy,
z których one pochodzą,
muszą wykazywać szereg
przystosowań do środowiska, w jakim żyją, a tym samym dostroić swój mechanizm
enzymatyczny do
wykazywania
optymalnej
aktywności.
Aby ją
zachować,
białka
enzymatyczne muszą być stabilne (by utrzymać strukturę), a także elastyczne (by móc
wykonywać zmiany konformacyjne w trakcie katalizy). Te wymagania w szczególności
dotyczą enzymów z organizmów ekstremofilnych zdolnych do życia w warunkach, jakich inne
organizmy nie wytrzymują. Cechami, które wyróżniają te białka jest stabilność i zachowana
aktywność w ekstremalnych warunkach pH, stężenia soli, ciśnienia czy temperatury.
Ponad
90%
wykorzystywanych
przemysłowo
enzymów
jest
pochodzenia
mikrobiologicznego, a zdecydowana ich większość jest aktywna tylko w wybranych
warunkach, które możemy określić jako umiarkowane – czyli optymalne dla organizmów
mezofilnych. Jednak należy sobie uświadomić, że około 75% części biosfery znacznie
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
odbiega od warunków łagodnych i jest zajmowane przez zimne oceany. Ponadto
mikroorganizmy można spotkać w gorących kominach wulkanicznych, na pustyniach, na
biegunach czy nawet w reaktorach jądrowych. Bakterie te są naturalnym bogatym źródłem
biokatalizatorów tak pożądanych przez wiele gałęzi przemysłu. Doskonałym przykładem
podkreślającym znaczenie enzymów organizmów ekstremofilnych i płynące z nich korzyści
jest termostabilne polimerazy DNA i jej wpływ na rozwój badań naukowych, medycynę czy
gospodarkę.
Przedmiotem podjętych badań są enzymy organizmów ektremofilnych z rodziny 18
hydrolaz glikozydowych, w tym przypadku psychrofilna (lubiąca zimno) chitynaza 60
wyizolowana z morskiej bakterii Moritella marina (MmChi60) i termofilna (lubiącej ciepło)
chitynaza 40 (Chi40) z bakterii Streptomyces thermoviolaceus. Badając termofile możemy
dociekać, co czyni białko stabilnym w warunkach ekstremalnej temperatury. Porównując je
natomiast z enzymami organizmów zimnolubnych, które są dużo mniej strukturalnie stabilne,
możemy dociec, co czyni te drugie wydajnymi. Celem moich badań jest określenie
strukturalnych podstaw adaptacji enzymów do ekstremalnych warunków.
Tematyka mojej pracy doktorskiej “Badania strukturalne i funkcjonalne enzymów
organizmów
ekstremofilnych”
wpasowuje
się
w
trend
innowacyjności
przemysłu
korzystającego z enzymów. Celem pierwszego etapu badań było rozwiązanie struktury
krystalicznej MmChi60, która okazała się niezwykle ciekawa: składa się z 4 domen i jak do
tej pory jest najbardziej skomplikowaną wśród nie tylko chitynaz, ale również hydrolaz
glikozydowych (Rys.1). Poza domeną katalityczną występują dwie domeny Ig-like
(immunoglobin like domain) i Chbd (chitin binding domain – domena wiążąca chitynę).
Analiza porównawcza struktury psychrofilnej chitynazy z innymi mezofilnymi zdeponowanymi
w PDB (Protein Data Bank) pozwoliła mi na wypunktowanie cech charakterystycznych dla
psychrofilli i była podstawą do przeprowadzenia badań z mutantami białka.
Również udało mi się rozwiązać strukturę termofilnej chitynaza (Rys.2). Jej
porównanie z innymi chitynazami pozwoliła mi wytypować cechy charakterystyczne dla
termofilnego enzymu. Wykazałem, że posiada ona znacznie mniej nieuporządkowanych
elementów strukturalnych na swojej powierzchni co może być cechą adaptacyjną do
działania w wysokiej temperaturze.
Obserwacje te mogą posłużyć do ulepszenia już teraz używanych enzymów i
spowodować zwiększenie konkurencyjności np. w przemyśle chemii gospodarczej na terenie
Wielkopolski. Usuwania tłustych plam czy zabrudzeń z tkanin bądź naczyń wspomagane jest
hydrolitycznymi właściwościami wielu enzymów, w tym: proteaz, amylaz, celulaz czy lipaz.
Główną korzyścią płynącą z produkcji detergentów, których enzymy efektywnie hydrolizują
zabrudzenia w niższych temperaturach, jest redukcja zużywanej energii, a tym samych
obniżenie kosztów, nie mówiąc już o pozytywnym wpływie na środowisko naszego regionu.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Podążając tym tropem, celem obniżenia temperatury używania detergentów i nie
zmniejszając ich efektywności, pojawiły się już na rynku modyfikowane enzymy
wprowadzone przez firmę Novozymes.
Szczególnie interesująca z punktu widzenia ekonomii jest możliwość wykorzystania
badanej przeze mnie MmChi60 przy enzymatycznej konwersji chityny na produkty, na które
istnieje duże zapotrzebowanie. N-acetyloglukozamina jest stosowana podczas leczenia
schorzeń stawów, chorób układu trawiennego, przy produkcji kwasu sialowego czy nawet
jako nośniki leków. Dotyczy to również chitooligosacharydów, mających zastosowanie w
medycynie jako leki na astmę, czynniki antybakteryjne czy wspomagające regenerację
komórek nerwowych.
Wymienione możliwości wskazują, że prowadzone przeze mnie badania wpłyną na
zwiększenie konkurencyjności przedsiębiorstw z wielu dziedzin. Rozwijający się trend,
kładący wielki nacisk na zielone technologie, czy ochronę środowiska, wynika z potrzeb
nowoczesnego społeczeństwa. Poszerzenie naszej wiedzy o skalę molekularną pozwala
nam zrozumieć i ulepszać procesy technologiczne bazujące na enzymach. Uważam, że
wykorzystanie enzymów organizmów ekstremofilnych, w tym chitynaz, przyniesie wymierne
korzyści w postaci zwiększenia konkurencyjności regionu. Wykorzystanie moich badań nad
białkami organizmów ekstremofilnych może wpłynąć na zmniejszenie kosztów procesów
produkcyjnych i zwiększenie konkurencyjności gospodarki Wielkopolski, pozytywnie działając
na otaczające nas środowisko.
Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie struktura krystalicznej MmChi60. Elementy struktury
drugorzędowej są oznaczone kolorami niebieskim, czerwonym i różowym. Tryptofany biorące
udział w wiązaniu chityny są zaznaczone kolorem żółtym i czarnym.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Rysunek 2. Schematyczne przedstawienie struktury krystalicznej termofilnej Chi40. Na uwagę
zasługuje bardzo zwarta budowa cząsteczki.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego