Artur Osyczka: Łańcuch ten znajduje się w mitochodriach i polega - w bardzo ogólnym ujęciu - na przekształceniu energii wysokoenergetyczych związków (takich np. jak cukry) w taką formę energii, która może być wykorzystana przez nasze komórki na poziomie molekularnym. Dokonują tego białka łańcucha mitochodrialnego, które sprzęgają ze sobą proces transportowania elektronów, pochodzących z tych właśnie związków, z przenoszeniem protonów w poprzek błony mitochondrialnej. Dzięki temu powstaje siła napędowa do syntezy ATP - cząstki, która napędza komórkowe procesy wymagające nakładów energetycznych.

NwP: Z opublikowanej w "Science" pracy wynika, że jednym z najważniejszych białek zaangażowanych w przebieg tego procesu jest enzym o nazwie cytochrom bc1, zwany inaczej mitochondrialnym kompleksem III. Proszę powiedzieć, jak zbudowane jest to niezwykłe białko?

A.O.: Cytochrom bc1 jest właśnie jednym z tych kompleksów białkowych, o których wspomniałem wcześniej, które sprzęgają transport elektronów z przenoszeniem protonów. W mitochondriach jest on powszechnie określany mianem kompleksu III.

Jest to kompleks o bardzo skomplikowanej budowie. Jego najprostsze formy, takie, jakie występują w komórkach bakteryjnych, są zbudowane z trzech podstawowych podjednostek białkowych: cytochromu b, cytochromu c1 i domeny zawierającej klaster żelazowo-siarkowy. Taka triada tworzy monomer, ale strukturalnie cały kompleks jest dimerem złożonym z dwóch identycznych monomerów.

NwP: I to właśnie budowy tego kompleksu dotyczy Pana praca w "Science"? Co dokładnie odkrył Pana zespół?

A.O.: Praca w "Science" dotyczy wyjaśnienia dimerycznej natury całego kompleksu. Bo podstawowy problem z tym związany dotyczył dotąd trudności związanych z symetrią strukturalną dimeru.

Jedną z głównych technik, jaką stosuje się, by poznać mechanizm działania białek, jest badanie efektów wprowadzania zmian punktowych metodami inżynierii genetycznej (mutacji). Mutacje takie mogą np. "wyłączyć" część enzymu, co pozwala nam na zobaczenie, jak funkcjonuje pozostała reszta.

W przypadku cytochromu bc1 można było oczywiście też takie zmiany wprowadzać, tyle że naturalny sposób genetycznego kodowania podjednostek sprawia, że byłyby one wprowadzone do obu monomerów jednocześnie. Oznacza to, że moglibyśmy jedynie wyłączyć jednocześnie oba monomery lub ich części. My jednak chcieliśmy w jakiś sposób przerwać tą symetrię by zobaczyć, czy i jak będzie działał enzym, w którym tylko jedna podjednostka lub jej część zostaną "wyłączone".

NwP: Udało się?

A.O.: Tak. A dokonaliśmy tego konstruując odpowiednio zmodyfikowany gen, który po wprowadzeniu do komórek w pewien sposób je oszukiwał, zmuszając do zastąpienia dwóch osobnych podjednostek białkowych w dimerze jednym dużym białkiem fuzyjnym. Białkiem tym były dwa cytochromy b złączone ze sobą na końcach za pomocą odpowiedniego linkera. Dzięki temu uzyskaliśmy system genetyczny, który umożliwił nam wprowadzanie pojedynczych mutacji w różnych kombinacjach. Zadaniem takich zabiegów było zaś przerywanie symetrii dimeru w dokładnie zaplanowanych miejscach. Testowanie efektów tych zmian dało nam dokładny obraz tego, jak działa cały dimer.

NwP: A więc, jak on działa?

A.O.: Po dokładnej analizie okazało się, że podjednostki wchodzące w skład cytochromu bc1 tworzą ze sobą funkcjonalny układ, o charakterystycznym kształcie litery H. (...) Można porównać go do modelu funkcjonowania szyny elektrycznej, będącej powszechnym składnikiem wielu urządzeń elektrycznych.

NwP: Szyny elektrycznej?

A.O.: Tak. Chodzi tutaj o to, że cały dimeryczny kompleks ma cztery gałęzie, którymi transportowane są elektrony. Każdy monomer dostarcza dwóch: jednej dolnej i jednej górnej. Ale, jak się okazało, także te monomery są ze sobą w jednym miejscu połączone. Łączy je mostek, który służy do wymiany elektronów pomiędzy nimi. Całość tworzy więc układ przypominający kształtem literę H z czterema odrębnymi terminalami (centrami katalitycznymi) na jej końcach. My, udowadniając istnienie tego mostka, pokazaliśmy, że elektrony mogą się swobodnie poruszać w obrębie całego układu H, a więc między czterema terminalami - tak właśnie, jak to się dzieje w szynie elektrycznej. Co więcej, wykazaliśmy, że w całym układzie można wyłączyć jedną gałąź (lub nawet dwie) w dowolnych kombinacjach, ale tak, by nadal choć jedna górna i jedna dolna pozostały aktywne. Taki układ wystarczy bowiem, aby zostało utrzymane sprawne połączenie obu stron błony ze sobą, co jest koniecznym warunkiem przenoszenia protonów w poprzek tej błony. Białko nadal pozostaje więc funkcjonalne.

NwP: Rozumiem, że poznanie dokładnej budowy kompleksu, o którym mówimy, było ważne z punktu widzenia zrozumienia podstaw jego funkcjonowania?

A.O.: To było i jest ważne głównie ze względu na to, iż kompleks ten zajmuje centralne miejsce w całym łańcuchu mitochondrialnym i może być jednym z ważnych punktów regulacji procesów bioenergetycznych w komórce. W pewnych warunkach może on także przyczyniać się do generowania wolnych rodników, na temat których tak wiele się dziś mówi. Aby móc to wszystko zrozumieć, musimy najpierw poznać, jak działa samo białko.

NwP: A czy poznanie budowy cytochromu może się przełożyć na jakieś praktyczne zastosowania? Czy da się tę wiedzę wykorzystać np. w medycynie, farmakologii itp?

A.O.: Poznanie samej budowy nie wystarczy, trzeba również poznać mechanizm działania białka. A i od tego droga do opracowania nowych leków może być daleka. Nasze odkrycie na tym etapie nie ma bezpośredniego przełożenia praktycznego. Ale pamiętajmy, że dla ogólnego postępu cywilizacyjnego niezbędne jest zdobywanie wiedzy zgłębiającej dziedziny nauk podstawowych. To ta wiedza przyczynia się bowiem do rozwoju nauk aplikacyjnych. Samo odkrycie na pewno pomoże nam lepiej zrozumieć podłoża uszkodzeń mitochondrialnych i chorób z tym związanych (metabolicznych i neurodegeneracyjnych). Wiele z nich, jak się przypuszcza, powstaje na skutek uszkodzeń w obrębie niektórych podjednostek białkowych, w tym również podjednostki cytochromu b z naszego kompleksu.

NwP: Artykuł w "Science" nie jest pierwszym Pana sukcesem na międzynarodowej arenie. Kilka lat temu równie prestiżowe "Nature" opublikowało wyniki pracy Pana zespołu. Czego dotyczyła tamta praca?

A.O.: To było dokładnie w 2004 roku, a praca również dotyczyła cytochromu bc1. Wtedy prowadziłem badania w laboratorium prof. P. Leslie Duttona na University of Pennsylvania w Filadelfii. Na tamtym etapie nie dysponowaliśmy jeszcze technicznymi możliwościami przerywania symetrii dimeru i mogliśmy jedynie wprowadzać mutacje, które częściowo ograniczały transport elektronów w obu górnych lub obu dolnych gałęziach literki H.

Dzięki temu zaobserwowaliśmy, że reakcje cząstkowe, które składają się na całkowity przepływ elektronów przez enzym, są odwracalne w skali czasowej, w której zachodzi kataliza. To z kolei zrodziło pytanie, w jaki sposób enzym "zabezpiecza się" przed niekorzystnymi reakcjami ubocznymi (w formie tzw "spięć" lub wycieku elektronów poza białko), objawiającymi się generacją wolnych rodników. (...) W naszej pracy dyskutowaliśmy możliwe mechanizmy takich zabezpieczeń.

NwP: Spotkałam się z twierdzeniem, że tamto odkrycie może nie tylko pomóc walce z wieloma chorobami, ale także - co zaskakujące - może mieć zastosowania technologiczne, np. poprzez umożliwienie konstrukcji nanomaszyn.

A.O.: To na razie daleka przyszłość. Ale proszę sobie wyobrazić, że umiemy konstruować maszyny, które działają tak, jak cytochrom bc1. Miałyby one prawie stuprocentową wydajność - coś czego żadne dotychczas skonstruowane przez człowieka urządzenie nie jest w stanie osiągnąć.

NwP: A jakie są plany badawcze Pana zespołu? Nadal dotyczą one zgłębiania tajemnic cytochromu bc1?

A.O.: Tak, ale nie tylko. Oczywiście będziemy teraz prowadzić cały szereg badań związanych ze zrozumieniem idei litery "H" i symetrii strukturalnej tego białka w regulacji procesów mitochondrialnych, a także w procesach ochrony przed wolnymi rodnikami i uszkodzeniami mitochondrialnymi. Chcielibyśmy je zrozumieć nie tylko w kontekście samej bioenergetyki komórki, ale także w kontekście chorób mitochondrialnych i procesów starzenia się komórek, o których wiele się obecnie mówi, a w których - jak się przypuszcza - mitochondria mogą odgrywać znaczącą rolę.

NwP: Bardzo dziękuję za rozmowę.

PAP - Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz

agt/bsz