MAPA POLSKIEJ BIOCHEMII Zakład Biofizyki na Wydziale Fizyki UW

MAPA POLSKIEJ BIOCHEMII
Zakład Biofizyki na Wydziale Fizyki UW (1965–2015)
Ryszard Stolarski*
Zakład Biofizyki, Instytut Fizyki Doświadczalnej,
Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
*
[email protected]
tel. (48) 22 55 40 772
W bieżącym roku mija 50 lat od zainicjowania przez wybitnego biofizyka, profesora Davida Shugara, starań o utworzenie Zakładu Biofizyki (http://www.biogeo.uw.edu.pl) w
Instytucie Fizyki Doświadczalnej, na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Zakład został powołany w 1965 r., a
prof. David Shugar ponad 30 lat kierował jego pracą naukową
(do 1972 r. pełnił funkcję kierownika Zakładu). Urodzony w
1915 r. w Polsce prof. David Shugar wychowywał się w Kanadzie, gdzie ukończył studia na Uniwersytecie McGill w
Montrealu. Po przyjeździe do Polski w 1952 r. na zaproszenie
prof. Leopolda Infelda, rozwinął pionierskie badania w zakresie biofizyki molekularnej, nie tylko w Zakładzie Biofizyki
IFD WF UW, ale również w drugim, utworzonym przez siebie
w 1954 r., Zakładzie Biofizyki w Instytucie Biochemii i Biofizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Rozwój badań i
osiągnięcia naukowe Zakładu Biofizyki IFD WF UW w latach
1966–1995 nakreślił dr hab. Maciej Geller z okazji 75 rocznicy
powstania „fizyki na Hożej” [1, zob. Suplement: http://www.
postepybiochemii.pl/suppl/ZBGeller.pdf], a rozwinął, z
uwzględnieniem okresu ostatnich 20 lat, prof. Andrzej Kajetan
Wróblewski [2].
i kompleksów molekularnych, analizę ich aktywności biologicznej i działania chemioterapeutycznego. Stosowane są metody spektroskopii molekularnej (fluorescencja, dichroizm
kołowy CD, magnetyczny rezonans jądrowy NMR), dyfrakcji
rentgenowskiej, spektrometrii mas, mikrokalorymetrii, ultrawirowania analitycznego, powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPR), syntetyczne metody chemii organicznej
i techniki biologii molekularnej. W badaniach teoretycznych
wykorzystuje się metody chemii kwantowej, mechaniki z
klasycznymi polami siłowymi (force field), fizyki statystycznej
(Monte Carlo) oraz komputerowe symulacje klasycznej (MD)
i klasyczno-kwantowej dynamiki molekularnej (QCMD).
Aktualnie realizowana w grupach badawczych Zakładu
tematyka jest prowadzona w szerokiej współpracy międzynarodowej (USA, Niemcy, Kanada, Dania) i obejmuje:
Od momentu powstania, Zakład Biofizyki IFD WF UW
zrzesza badaczy o różnych specjalnościach: fizyków, chemików, biochemików, biologów i bioinformatyków. Interdyscyplinarne badania obejmują fizyczne podstawy procesów
biologicznych: ekspresja genów zawartych w kwasie deoksyrybonukleinowym (DNA), oddziaływania międzycząsteczkowe i tworzenie funkcjonalnych kompleksów z udziałem
białek i kwasów rybonukleinowych (RNA), kataliza enzymatyczna, bioenergetyka oraz wewnątrzkomórkowy transport.
Prace obejmują zagadnienia wyznaczania struktur, dynamiki
i własności fizykochemicznych cząsteczek, makrocząsteczek
— biofizykę specyficznych oddziaływań białek i 5’-końców
kwasów RNA (mRNA 5’ kap) w biosyntezie białek (translacji) w komórkach eukariotycznych (prof. Ryszard Stolarski);
— syntezy analogów kapu i analizę ich funkcji w ekspresji genów i chemioterapii (prof. Edward Darżynkiewicz; dr
hab. Jacek Jemielity; dr hab. Janusz Stępiński);
— dynamikę i funkcjonowanie biopolimerów z wykorzystaniem metod relaksacyjnych i symulacji brownowskiej
dynamiki molekularnej BMD (prof. Jan Antosiewicz);
— wieloskalowe modelowanie molekularne z wykorzystaniem m. in. technik MD, QCMD i „virtual reality” oraz bioinformatyki (prof. Bogdan Lesyng);
— wykorzystanie nowoczesnych metod spektroskopii emisyjnej do charakterystyki struktur kompleksów enzym-ligand in vitro i do analizy tylakoidów roślin (prof. Borys Kierdaszuk);
— biofizykę działania enzymów PNP (purine nucleoside phosphorylase) i inhibitorów PNP o potencjalnym działaniu immunosupresyjnym (prof. Maria Agnieszka Bzowska);
— opracowywanie mechanizmów zwijania i agregacji białek GFP (green fluorescence protein) (dr hab. Beata Wielgus-Kutrowska).
Osiągnięcia w okresie funkcjonowania Zakładu ilustrują
odnośniki literaturowe o ponad stu cytowaniach. Zespół prof.
Fot. 1. Dawna siedziba Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego przy ulicy
Hożej 69 w Warszawie.
Fot. 2. Budynek CeNT II — nowa siedziba Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego przy ulicy Pasteura 5 w Warszawie.
Postępy Biochemii 61 (3) 2015
239
Davida Shugara należał do ścisłej światowej czołówki w badaniach tautomerii zasad kwasów nukleinowych, co znalazło
wyraz w opracowaniu rozdziału w Encyklopedii Landolta-Börnsteina [3]. Jeden z głównych nurtów badań dotyczył
syntez chemicznych, fotochemii oraz wyznaczania konformacji analogów nukleozydów i nukleotydów [4]. Nowe metody syntezy [5] umożliwiły wprowadzenie przez prof. Zygmunta Kazimierczuka 2-chlorodeoxyadenozyny (2-CdA) do
terapii białaczek w polskich klinikach. Symulacje MD białek
z uwzględnieniem zmienności stanów uprotonowania aminokwasów oraz komputerowe miareczkowanie białek zaowocowały serią klasycznych prac prof. Jana Antosiewicza [6,7]. Prof.
Edward Darżynkiewicz zainicjował wszechstronne badania 5’
końców mRNA, obejmujące syntezy modyfikowanych analogów kapu do analizy inicjacji translacji [8,9], splicingu [10]
i transportu jądro-cytoplazma [11]. Wyznaczanie dokładnych
wartości stałych asocjacji i parametrów termodynamicznych
kompleksów kapu z czynnikami białkowymi, dzięki nowej
metodzie miareczkowania fluorescencyjnego dr Anny Niedźwieckiej [12,13], pozwoliło opracować molekularne modele
specyficzności wiązania białko-kap. Nowy aspekt badań to ich
praktyczne wykorzystanie w farmakologii i biotechnologii —
siedem patentów przyznanych w latach 2006–2013. Licencje
dwu z nich [14,15] zakupiła firma BioNTech (Mainz, Niemcy)
i podjęła wdrożenia kliniczne. Badania enzymów obejmują
fosforylazy nukleozydów purynowych PNP [16], kinazy nukleozydowe [17] i kinazy białkowe. Z inicjatywy prof. Davida
Shugara i prof. Bogdana Lesynga zorganizowano w 1998 r.
międzynarodową konferencję „Inhibitors of Protein Kinases”
(IPK), której kolejne edycje odbywają się co dwa lata. Badania
w dziedzinie bioenergetyki (fotosynteza, oddychanie komórkowe) dotyczą fizyki transferu elektronów i protonów.
Zakład Biofizyki szeroko wykorzystuje finansowanie z funduszy międzynarodowych oraz granty MNiSW i NCN. W latach 1996–2015 realizowano w Zakładzie ponad 20 projektów
badawczych. Udział w Programach Operacyjnych Innowacyjnej Gospodarki „Fizyka u podstaw nowych technologii - rozwój nowoczesnej infrastruktury badawczej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego” (POIG.02.01.00-14-122/09)
i „Krajowe Laboratorium Multidyscyplinarne Nanomateriałów Funkcjonalnych — NanoFun” (POIG 02.02.00-00-025/09)
umożliwił zakupy nowoczesnej aparatury badawczej, w tym
dyfraktometru rentgenowskiego i ultrawirówki analitycznej.
Warto podkreślić działalność dydaktyczną i popularyzatorską pracowników Zakładu. Od października 1968 r. stopień
magistra uzyskało 251 osób (Księga dyplomów WF), a stopień
doktora 54 osoby. W 2009 r. ruszyły na Wydziale Fizyki studia I i II stopnia na specjalnościach „Biofizyka molekularna”
i „Projektowanie molekularne i bioinformatyka”, w ramach
nowego, interdyscyplinarnego kierunku „Zastosowania fizyki w biologii i medycynie”. Finansowanie studiów uzyskano
dzięki funduszom Programów Operacyjnych Kapitał Ludzki.
Dla wzmocnienia efektywności studiów III stopnia, na wniosek opracowany w Zakładzie Biofizyki, Centralna Komisja
ds. Stopni i Tytułów przyznała w 2014 r. Instytutowi Fizyki
Doświadczalnej Wydziału Fizyki uprawnienia do nadawania
stopnia doktora w zakresie biofizyki. Dyrektorem Festiwalu
Nauki Polskiej w Warszawie, czołowego w skali Polski przedsięwzięcia popularyzacji nauki, był w latach 1997–2013 dr hab.
Maciej Geller, jeden z inicjatorów Festiwalu wraz z prof. Da-
240
videm Shugarem, wieloletnim członkiem Rady Programowej
Festiwalu.
PIŚMIENNICTWO
1. Geller M (1996) Zakład Biofizyki (1966-1995), W: Kicińska-Habior M,
Wróblewski AK (red) 75 lat fizyki na Hożej. Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, str. 85-89. http://www.postepybiochemii.pl/suppl/ZBGeller.pdf
2. Wróblewski AK (2016) Nauki fizyczne, W: Wróblewski AK (red)
Historia nauk ścisłych i przyrodniczych w Uniwersytecie Warszawskim. Monumenta Universitatis Varsoviensis, rozdz. 6 (w druku)
3. Shugar D, Psoda A (1990) Tautomerism of purines and pyrimidines,
their nucleosides and various analogues, W: Saenger W (red) Landolt-Börnstein Numerical Data and Functional Relationship in Science and
Technology. Springer-Verlag, Berlin, rozdz. 1, str. 308-348
4. Remin M, Shugar D (1972) Conformation of exocyclic 5’-CH2OH in
nucleosides and nucleotides in aqueous solution from specific assignments of H5’ and H5’’ signals in the NMR spectra. Biochem Biophys
Res Commun 48: 636-642
5. Kazimierczuk Z, Cottam HB, Revankar GR, Robins RK (1984) Synthesis of 2’-deoxytubercidin, 2’-deoxyadenosine, and related 2’-deoxynucleosides via a novel direct stereospecific sodium-salt glycosylation
procedure. J Am Chem Soc 106: 6379-6382
6. Antosiewicz J, McCammon JA, Gilson MK (1994) Prediction of pH-dependent properties of proteins. J Mol Biol 238: 415-436
7. Antosiewicz J, McCammon JA, Gilson MK (1996) The determinants of
pK(a)s in proteins. Biochemistry 35: 7819-7833
8. Joshi B, Cai A-L, Keiper BD, Minich WB, Mendez R, Beach CM, Stepinski J, Stolarski R, Darzynkiewicz E, Rhoads RE (1995) Phosphorylation
of eukaryotic protein-synthesis initiation-factor 4E at Ser-209. J Biol
Chem 270: 14597-14603
9. Mathonnet G, Fabian MR, Svitkin YV, Parsyan A, Huck L, Murata T,
Biffo S, Merrick WC, Darzynkiewicz E, Pillai RS, Filipowicz W, Duchaine TF, Sonenberg N (2007) MicroRNA inhibition of translation
initiation in vitro by targeting the cap-binding complex eIF4F. Science
317: 1764-1767
10.Izaurralde E, Lewis J, McGuigan C, Jankowska M, Darzynkiewicz E,
Mattaj IW (1994) A nuclear cap-binding protein complex involved in
pre-messenger-RNA splicing. Cell 78: 657-668
11.Hamm J, Darzynkiewicz E, Tahara SM, Mattaj IW (1990) The trimethylguanosine cap structure of U1 snRNA is a component of a bipartite nuclear targeting signal. Cell 62: 569-577
12.Niedzwiecka A, Marcotrigiano J, Stepinski J, Jankowska-Anyszka M,
Wyslouch-Cieszynska A, Dadlez M, Gingras A-C, Mak P, Darzynkiewicz E, Sonenberg N, Burley SK, Stolarski R (2002) Biophysical studies
of eIF4E cap-binding protein: Recognition of mRNA 5 ‘ cap structure
and synthetic fragments of eIF4G and 4E-BP1 proteins. J Mol Biol 319:
615-635
13.Gingras A-C, Raught B, Gygi SP, Niedźwiecka A, Miron M, Burley SK,
Polakiewicz RD, Wyslouch-Cieszynska A, Aebersold R, Sonenberg N
(2001) Hierarchical phosphorylation of the translation inhibitor 4EBP1. Genes & Development 15: 2852-2864
14.Jemielity J, Grudzien-Nogalska E, Kowalska J, Darzynkiewicz E. Rhoads RE Synthesis and use of anti-reverse phosphorothioate analogs of
the messenger RNA cap. Zgłoszenie światowe nr. PCT/US2008/67494
z dn. 19 czerwca 2008 r., udzielone 10 kwietnia 2012 r.
15.Kowalska J, Jemielity J, Darzynkiewicz E, Rhoads RE, Lukaszewicz
M, Zuberek J. mRNA cap analogs. Zgłoszenie światowe nr PCT/
US2009/046249 z dn. 4 czerwca 2009 r., udzielone 27 sierpnia 2013 r.
16.Bzowska A, Kulikowska E, Shugar D (2000) Purine nucleoside phosphorylases: properties, functions, and clinical aspects. Pharmacology
& Therapeutics 88: 349-425
17.Eriksson S, Kierdaszuk B, Munch-Petersen B, Oberg B, Johansson NG
(1991) Comparison of the substrate specificities of human thymidine
kinase-1 and kinase-2 and deoxycytidine kinase toward antiviral and
cytostatic nucleoside analogs. Biochem Biophys Res Commun 176:
586-592
www.postepybiochemii.pl