Aj na Slovensku máme vedecké tímy, ktoré dosahujú špičkové výsledky. Jedným z nich je aj tím Ústavu experimentálnej fyziky Slovenskej akadémie vied, ktorý vedie docentka Zuzana Gažová. Jej výskumná skupina dostala počas Týždňa vedy a techniky prestížne ocenenie Vedecko-technický tím roka 2019. V rozhovore, ktorý poskytla pre portál Veda na dosah, sa dozviete, čo sú neoglobulátne proteíny, aké sú súčasné poznatky o Alzheimerovej chorobe, a tiež to, ako ovplyvnila jej kariéru stáž na prestížnom zahraničnom pracovisku.
Vedecký tím pod vedením doc. RNDr. Zuzany Gažovej, CSc., sa v Ústave experimentálnej fyziky Slovenskej akadémie vied (SAV) dlhodobo venuje komplexnému štúdiu amyloidnej agregácie proteínov, ktorá zohráva významnú úlohu v patogenéze mnohých závažných a v súčasnej dobe neliečiteľných ochorení. Systematicky skúma vplyv malých molekúl a nanočastíc na amyloidnú agregáciu proteínov s cieľom nájsť inhibítory amyloidnej agregácie. Vedecký tím zistil, že niektoré malé molekuly a nanočastice majú schopnosť redukovať tvorbu amyloidných agregátov, čo predstavuje veľký potenciál pre ich využitie pri liečbe ochorení spojených s amyloidnou agregáciou proteínov.
V rámci Týždňa vedy a techniky bola vášmu vedeckému tímu udelená Cena za vedu a techniku 2019. Prekvapilo vás a váš tím toto ocenenie?
Musím povedať, že celý tím potešila nominácia na cenu Vedeckou radou Ústavu experimentálnej fyziky SAV. Získanie ocenenia bolo pre nás nečakaným, ale veľmi príjemným prekvapením. Veľmi si ho ceníme, je to veľké povzbudenie do našej ďalšej práce.
Pracujete v Ústave experimentálnej fyziky SAV. Okrem iného sa zaoberáte aj neoglobulátnymi proteínmi. Aké to sú?
V polovici 20. storočia bola vyslovená dogma molekulárnej biológie, ktorá hovorí, že funkcia proteínu je podmienená jeho presnou a fixnou 3D štruktúrou. Táto dogma bola založená na údajoch o priestorových štruktúrach globulárnych proteínov získaných pomocou röntgenovej kryštalografie, za čo bola udelená Nobelova cena, a znamenala jeden z prelomových poznatkov v danej dobe.
Začiatkom tohto storočia však vedecké štúdie začali prinášať stále viac údajov o tom, že existuje skupina proteínov, ktoré môžu vykonávať svoju funkciu aj bez stálej, presne definovanej 3D štruktúry.
Spočiatku sa výsledky o štruktúrnych vlastnostiach takýchto proteínov považovali za chybné. Až s postupným zdokonaľovaním experimentálnych techník a pod ťarchou pribúdajúcich dôkazov bola akceptovaná ich existencia. Vedci tieto neglobulátne proteíny nazvali prirodzene neusporiadané proteíny.
Ako sa teda mení štruktúra prirodzene neusporiadaných proteínov?
Ich štruktúra sa môže meniť v závislosti od interakčného partnera, od úplne rozbalenej, čiastočne zbalenej, až do stabilnej 3D štruktúry. Práve dynamika štruktúry proteínov je veľmi významná pretože umožňuje, aby jeden proteín vykonával mnoho funkcií.
Aký dopad na výskum malo prijatie existencie takýchto proteínov?
Spôsobilo to malú revolúciu vo vedeckej komunite, pretože odporovala viac ako 50 rokov prijatej dogme o štruktúre a funkcii proteínov. V súčasnosti predstavujú prirodzene neusporiadané proteíny významnú skupinu proteínov. Mnohé z nich sú spojené s rozličnými ochoreniami. V našom laboratóriu sa zaoberáme štúdiom neglobulárneho Amyloidného β (Aβ) proteínu, ktorý je spojený s Alzheimerovou chorobou.
Čo všetko je možné o proteíne zistiť, keď sa naň pozeráte z hľadiska biofyziky?
Pomocou rôznych biofyzikálnych metód môžeme zistiť o proteínoch celkom veľa vecí ako napríklad veľkosť proteínu, jeho náboj, rozpustnosť vo vode, miesto kde je v bunke uložený. Zaujíma nás tiež akú funkciu plní v organizme, s akými inými molekulami interaguje. Vieme zistiť ako sú v bunke syntetizované, aká je dĺžka ich života a akým spôsobom sú odstraňované po splnení svojej funkcie alebo v prípade, že došlo k ich poškodeniu.
Na aké vlastnosti sa zameriavate vo vašom výskume?
Zameriavame sa hlavne na štruktúrnu charakterizáciu proteínov. Pomocou rôznych metód dokážeme určiť ich štruktúru na rôznych úrovniach – od primárnej, to je poradie aminokyselín v polypeptidovom reťazci, ďalej usporiadanie reťazca do lokálnych štruktúr (sekundárna štruktúra), priestorové usporiadanie molekuly proteínu (terciárna), až po štruktúry komplexov tvorených viacerými molekulami proteínov (kvartérna).
Okrem toho zisťujeme stabilitu jednotlivých štruktúr a za akých podmienok sa stávajú menej stabilnými, čo môže viesť k degradácii proteínov alebo k tvorbe proteínových komplexov. Sledujeme ako rôzne látky (rozpúšťadlá, organické molekuly, nanočastice) a podmienky (teplota, pH) ovplyvňujú vlastnosti proteínov.
Doc. RNDr. Zuzana Gažová, CSc., v mene tímu prevzala Cenu za vedu a techniku 2019 z rúk ministerky Martiny Lubyovej
Ocenenie ste získali za výsledky v oblasti amyloidovej agregácie proteínov. Čo vlastne amyloidová agregácia je? Kde a kedy v našom tele vzniká?
K amyloidnej agregácii proteínov dochádza vtedy, keď sa prirodzená štruktúra proteínov nejakým spôsobom pozmení, v dôsledku čoho dochádza k ich vzájomnej interakcii. To vedie k tvorbe amyloidných agregátov (zhlukov) s vysoko organizovanou a veľmi špecifickou štruktúrou typickou len pre tento druh agregátov.
S ktorými ochoreniami je spojená tvorba týchto amyloidných zhlukov?
Dnes je známych približne päťdesiat amyloidóz. Z tých najznámejších ide o Alzheimerovu chorobu, Parkinsonovu chorobu, diabetes mellitus typu II. Z menej známych sem patria napríklad reumatická artritída, cerebrálna amyloidná angiopatia alebo rôzne systémové amyloidózy. Hoci ide o ochorenia s rôznymi klinickými prejavmi, ich spoločnou vlastnosťou je prítomnosť amyloidných zhlukov konkrétneho proteínu v bunkách, či v tkanivách rôznych orgánov v závislosti od daného ochorenia, čím narúšajú ich správne fungovanie, čo môže spôsobiť smrť buniek.
V prípade Alzheimerovej choroby dochádza k tvorbe amyloidných zhlukov Aβ proteínu (amyloidné plaky) a tau proteínu (neurofibrilárne klbká) v mozgu. Pri Parkinsonovej chorobe vytvára v mozgu amyloidné agregáty proteín alfa-synukleín. U pacientov trpiacich systémovou lyzozýmovou amyloidózou sú lokalizované v obličkách a v pečeni. V prípade liečby inzulínom sa môžu vytvárať amyloidné zhluky inzulínu v mieste injekčne aplikovaného liečiva.
Presné príčiny vzniku amyloidných agregátov dnes nie sú známe. Štúdie však poukazujú na to, že významnú úlohu zohrávajú genetické faktory, oxidatívny stres, posttranslačné modifikácie proteínov, ich fosforylácia, prítomnosť toxínov a ďalšie. O mnohých ešte stále nevieme.
V súčasnej dobe sa veľa hovorí práve o Alzheimerovej chorobe. Ako je možné, že počet pacientov trpiacich touto chorobou každoročne vzrastá?
O Alzheimerovej chorobe vieme už viac ako storočie. Existujú dva typy Alzheimerovej choroby. Prvým je Alzheimerova choroba so skorým nástupom spojená s genetickými mutáciami. Sporadická forma Alzheimerovej choroby postihujúca starších ľudí je výsledkom veľmi komplexnej série zmien v mozgu, ku ktorým dochádza v priebehu desaťročí.
Zvyšujúci sa počet pacientov trpiacich týmto ochorením môžeme pripísať hlavne starnutiu populácie. Vďaka medicínskemu pokroku sa dožívame vyššieho veku, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť ochorenia. Dnes už vieme, že prvé patologické zmeny v mozgu sa začínajú objavovať aj niekoľko desaťročí pred objavením príznakov ochorenia, takže na rozvoj tohto ochorenia je potrebný dlhý čas. K ďalším faktorom patria nezdravý životný štýl, stres aj nepriaznivé vplyvy životného prostredia. Presné príčiny Alzheimerovej choroby však doteraz nie sú úplne známe, pravdepodobne zahŕňajú kombináciu genetických, environmentálnych a životných faktorov. Nemalý podiel na zvýšení počtu ľudí trpiacich na Alzheimerovu chorobu má tiež lepšia diagnostika tohto ochorenia.
Napriek tomu, že na Alzheimerovej chorobe pracuje mnoho výskumných tímov na celom svete, doposiaľ sa nepodarilo nájsť vhodný liek. Ako je to možné? V čom tkvie hlavný problém?
Základným problémom nájdenia účinného lieku na Alzheimerovu chorobu je skutočnosť, že doteraz nevieme jednoznačne určiť príčinu tohto ochorenia, nerozumieme úplne celému procesu ochorenia. A ak niečomu úplne nerozumieme, tak nájdenie vhodného lieku je dosť problematické. Mnohému však rozumieme.
Čo teda vieme?
Vieme, že vo veľkej miere sa na ochorení podieľa prítomnosť amyloidných zhlukov. Nevieme však, či ide o príčinu alebo dôsledok ochorenia, napríklad ako ochranný mechanizmus, ktorý „vychytáva“ nefunkčné proteíny. Vieme, že nielen amyloidné agregáty Aβ peptidu a tau proteínu sú zodpovedné za degeneráciu a stratu funkcie neurónov, úlohu tu zohrávajú aj ďalšie proteíny (napríklad γ-sekretáza, acetylcholínesteráza, β-sekretáza, APP proteín a ďalšie), poruchy metabolických dráh nervových buniek a zápalové procesy. Z tohto pohľadu je Alzheimerova choroba veľmi komplexné ochorenie a je veľmi ťažké nájsť liek, ktorý by bol schopný nielen zastaviť, ale aj zvrátiť všetky tieto procesy.
Napriek tomu sa nevzdávame a hľadáme spôsoby, ktoré by mohli viesť k účinnej liečbe. V poslednom období sa vedci zamerali na hľadanie molekúl, ktoré by dokázali ovplyvniť viacero procesov spojených s týmto ochorením. Hľadajú najmä také molekuly, ktoré by boli schopné inhibovať nielen tvorbu amyloidných agregátov Aβ a tau proteínu, ale aj ďalšie spomenuté proteíny a procesy. Ja osobne si myslím, že je to náročná úloha, ale môže priniesť účinné terapeutiká.
Sú teda amyloidné zhluky vždy spájané len s nejakou patológiou?
Dlhé obdobie boli amyloidné zhluky spájané len s ich patologickými prejavmi. V poslednom období prišlo opäť prekvapenie. Zistilo sa, že existujú amyloidné zhluky, ktoré majú fyziologickú funkciu, takzvané funkčné amyloidy. Najprv sa našli u baktérií, u ktorých vytvárajú biofilm. Neskôr boli objavené aj u ľudí. Ukázalo sa, že zohrávajú dôležitú úlohu pri syntéze melanínu alebo uchovávaní hormónov endokrinného systému. Výskum funkčných amyloidov je v začiatkoch, ale určite prinesie veľa zaujímavých nových poznatkov, ktoré pozmenia náš pohľad na úlohu amyloidných agregátov.
Po ukončení vášho doktorandského štúdia ste absolvovali študijný pobyt v zahraničí. Ako spätne hodnotíte skúsenosti, ktoré ste nadobudli v zahraničnom laboratóriu?
Pobyt v zahraničí bol pre mňa veľkým prínosom a ovplyvnil moje ďalšie vedecké zameranie. Pracovala som tri roky v laboratóriu profesora Mandelkowa na Max-Planck inštitúte v Hamburgu, ktorý patrí medzi špičkové pracoviská štúdia tau proteínu spojeného s Alzheimerovou chorobou. Tam som sa po prvýkrát vnorila do problematiky amyloidnej agregácie proteínov.
V rámci pobytu bolo mojou prvou úlohou urobiť „skríning“ viac ako 250 tisíc látok a identifikovať spomedzi nich inhibítory amyloidnej agregácie tau proteínu. Podarilo sa nám ich nájsť okolo sedemdesiat. Na tomto pracovisku som mala možnosť zažiť prácu v plnom nasadení, oduševnenosť ľudí pre hľadanie odpovedí pri riešení nezodpovedaných otázok danej problematiky, nadšenie pre zdolávanie problémov. Našla som tu tému a vedeckú lásku na celý život.
Po návrate domov sa mi v problematike amyloidnej agregácie proteínov podarilo pokračovať a vybudovať vedeckú skupinu pozostávajúcu, ako z mladých doktorandov a postdoktorandov, tak aj skúsenejších kolegov. Aj keď finančná podpora vedy nie je u nás taká ako bola v Nemecku, elán a nadšenie členov môjho tímu pre amyloidy je veľké. Získali sme mnohé projekty, ktoré nám umožnili riešiť otázky amyloidnej agregácie v spolupráci s tímami na Taiwane, v Číne a vo viacerých európskych krajinách. Vďaka kolektívnej práci sme získali výsledky, za ktoré sme dostali ocenenie. Chcela by som sa členom môjho vedeckého tímu ešte raz za ich prácu poďakovať.