Cenu Vedec roka SR 2020 v kategórii Vedec roka získal RNDr. Imrich Barák, DrSc., z Ústavu molekulárnej biológie Slovenskej akadémie vied.
Imrich Barák sa venuje základnému výskumu mechanizmov bunkového delenia, programovanej bunkovej smrti a diferenciácie buniek. Spolu so svojimi domácimi a zahraničnými spolupracovníkmi pomohol pochopiť úlohu kľúčových deliacich proteínov v bunke Bacillus subtilis.
Ocenenie Vedec roka v kategórii Vedec roka získal za unikátne výsledky v oblasti fyziológie baktérií a tiež za objav vzniku bakteriálnych nanotrubíc ako prejav zomierajúcej bunky.
V rozhovore pre portál Veda na dosah podrobnejšie približuje svoj výskum a jeho užitočnosť pre budúcnosť.
Vyše desať rokov sa tradovalo, že nanotrubice z buniek skúmajú svoje okolie, komunikujú navzájom, vymieňajú si medzi sebou DNA, RNA, živiny a bielkoviny. Prestížny vedecký časopis Nature Communications v októbri minulého roku publikoval štúdiu, v ktorej spolu s českými kolegami dokazujete, že tieto nanotrubice vznikajú v momente, keď bunky umierajú. Ako sa vám podarilo zistiť, že to nie je pravda? A ako je možné, že sa nesprávna teória ujme na takú dlhú dobu?
Mojím cieľom vôbec nebolo ju vyvracať, ale beriem to z pozitívnej strany, je úžasné, že veda sa dokáže sama opraviť. V skutočnosti som sa nanotrubicami vôbec nemal v pláne zaoberať, len som chcel pomôcť študentovi doktorandského štúdia Jirkovi Pospíšilovi zo skupiny Libora Krásneho z Mikrobiologického ústavu Akadémie vied ČR, ktorý robil ich výskum a nedarilo sa mu. Prosil ma, či by ho mohol istý čas robiť v našom ústave, kde máme lepšie vybavenie na mikroskopické sledovanie dejov priamo v bakteriálnych bunkách a tiež rýchlejšiu kameru na snímanie. Napriek tomu, že som tomu nedával veľkú šancu, fascinovala ma jeho vytrvalosť, preto som súhlasil.
U vás sa mu s výskumom začalo dariť?
Naopak. Nanotrubice sa nám väčšinou vôbec nedarilo zachytiť a keď sme ich aj zachytili, nič sa z nich nedalo určiť. Aby ste mali lepšiu predstavu, skúmali sme bakteriálne bunky menšie ako jeden mikrometer, pritom nanotrubica vybiehala zhruba z jednej z tisíc buniek. Nanotrubice sa pozorujú v kultivačnom médiu medzi mikroskopickým a krycím sklíčkom, ale keď je na sklíčku dvojmikrometrová špina, baktérie sa začnú pohybovať a nedokážete ich odfotiť. Vtedy treba vymeniť špinavé sklíčko za čisté. Keďže som bol ale frustrovaný, že som sa dal nahovoriť na výskum, ktorý som vlastne nechcel robiť, raz som špinavé sklíčko nevymenil, iba som ho lepšie pritlačil. A zrazu z buniek vybehli nanotrubice.
Spôsobil to tlak?
Áno, aj relatívne malý tlak vytvoril v bunkovej stene malé dierky s priemerom asi 70 nanometrov a cez ne vystrelili membránové nanotrubice. Vnútri bakteriálnych buniek je tlak aj dvadsať atmosfér, podobný ako v pneumatike bicykla, a tak cez danú dierku vystrelí membrána ako nanotrubica. Tento dej bol predtým opísaný ako baktériami riadený proces, v skutočnosti ale vznikajú nanotrubice v dôsledku tlaku, pôsobenia antibiotík a ďalších foriem stresu. Najprv sme to pozorovali na modelovej baktérii Bacillus subtilis a neskôr sme dokázali, že aj z iných baktérií môžu pod stresom vybiehať trubice, dokonca z viacerých miest súčasne. To, koľko dier sa v bunke urobí a na akých miestach, záleží od pevnosti bunkovej steny. Dôležité je tiež zistenie, že v momente, keď vystrelí nanotrubica, bunka zomiera. Podstatné je tiež, že sa to deje hlavne v momente, keď sa bunky delia.
Prečo práve vtedy?
Lebo vtedy je oslabená bunková stena. Predstavte si stenu s oknom. V istom zmysle je okno jej slabým miestom, pretože sa dá cezeň ľahšie preniknúť. Metaforicky povedané, keď sa bunka delí, akoby si vytvorila okno, pretože sa cezeň lepšie prenáša stavebný materiál na vybudovanie ďalšej miestnosti. Tým pádom sa jej stena oslabí.
Ako toto zistenie poslúži v praxi?
Je dôležité pre to, aby výskumníci nešli zlým smerom a aby potvrdili či vyvrátili ďalšie domnienky. Zatiaľ nemôžeme tvrdiť, že v prípade všetkých baktérií vznikajú nanotrubice pod stresom, i keď pravdepodobnosť, že je to inak, je oveľa menšia.
Existujú baktérie napríklad rodu Shewanella, pri ktorých boli popísané membránové nanodrôty. Vedci ich nazvali nanodrôty a nie nanotrubice, pretože zaznamenali, že tieto útvary môžu prenášať elektróny. Predpokladajú, že sú produktom nejakého biologického procesu a mohli by byť použité na prenos elektrónov. V súčasnosti skúmame, či tiež nejde iba o prejav bunkovej smrti po stresovaní buniek spomenutej baktérie. V tom prípade by totiž plány s riadeným prenosom elektrónov boli oveľa ťažšie realizovateľné.
Imrich Barák pri odovzdávaní ceny Vedec roka 2020 v kategórii vedec roka. Foto: Marián Zelenák, CVTI SR
Robíte na viacerých výskumoch súčasne. Modelujete nové liečivá proti patogénnym baktériám, vyvíjate nástroje na vytváranie nanovrstiev, ktoré by sa dali použiť v moderných technológiách aj v medicíne.
Skúmame aj programovanú bunkovú smrť v prípade baktérií alebo aj proteíny, ktoré sa nachádzajú v obaloch spóry.
Čo z toho vás najviac baví?
Najviac ma baví to, čo je dostatočne komplexné a zložité, na čo sa nedá prísť len pár experimentami a na čom pracujú celé tímy vedcov po celom svete. Je to súťaž o to, kto a ako vysvetlí nejaký zaujímavý mechanizmus ako prvý.
Baví vás súťažiť?
Nejde len o to. Keď už na niečo poznáte odpoveď alebo viete, že sa k nej dá ľahko dopracovať, zvyčajne na to prídu viacerí súčasne. Tým pádom je to menej zaujímavé. Najviac ma baví skúmať to, čomu nikto nerozumie.
To, čo je veľký hlavolam?
To, čo je obrovský hlavolam. Baví ma to aj preto, že na jeho rozlúštenie musíte použiť najlepšie metodiky, aké na svete existujú a musíte presvedčiť najlepšie skupiny vedcov, že je to naozaj zaujímavé, aby do toho išli s vami. Tým pádom sa dostanete aj k novým technológiám a novým zariadeniam, ako je napríklad XFEL (najväčšie laserové zariadenie vo svete, ktoré je vybudované v Hamburgu – pozn. red).
Riešite teraz nejaký obrovský hlavolam?
Áno. So svojím tímom skúmam delenie bunky baktérie Bacillus subtilis na molekulárnej úrovni. Táto baktéria sa rozmnožuje delením tak, že vytvára priečku presne v strede bunky. Vďaka nej vznikajú v priebehu asi dvadsiatich minút z jednej bunky dve identické bunky. Bacillus subtilis je schopná vytvárať aj spóry a v tomto prípade musí bunka vytvoriť deliacu priečku presne v jednej šestine bunky. Spóra je akoby spiaca baktéria schopná prežiť milióny rokov bez živín, vody aj kyslíka, dokáže odolať extrémne vysokej teplote aj radiácii. Spóry vznikajú, keď majú bakteriálne bunky nedostatok výživy. Tomuto procesu hovoríme sporulácia.
Keď sa spóra dostane do vhodného prostredia, vyklíči a môže sa znova deliť presne v strede. Je možné, že život na Zemi sa rozvinul vďaka spóram, ktoré sa sem dostali napríklad meteoritmi. Aj NASA preto študovala, ako hlboko v meteorite by musela byť spóra, aby prežila jeho dopad. Nechcem však zachádzať do detailov teórie panspermie. V rámci procesu sporulácie nás zaujímajú viaceré molekulárne mechanizmy. Napríklad po prvé, ako bunka zistí, že má sporulovať. Po druhé, ako prebieha tento diferenciačný proces. Po tretie, ako odmeria bunka svoju jednu šestinu dĺžky, kde vytvorí deliacu priečku. Táto priečka potom rozdelí bunku na väčšiu materskú bunku a na menšiu prespóru. Z prespóry na konci procesu vznikne spóra, materská bunka si nastaví svoju vlastnú smrť a rozpadne sa.
Znamená to, že bunka dokáže rátať? Alebo má skúsenosť, ktorá ju k deleniu navádza?
Prvým proteínom, ktorý nejakým spôsobom nájde stred bunky, je proteín FtsZ. Ten na tomto mieste vytvára takzvaný Z-prstenec. V bunke existujú rôzne mechanizmy. Jeden z nich nazývame Min systém a jeho súčasťou je MinC proteín, negatívny regulátor delenia, ktorý bráni tomu, aby sa Z-prstenec utvoril. MinC proteín je v Bacillus subtilis priťahovaný na protiľahlé póly bunky, tak sa vytvára koncentračný gradient tohto inhibítora. Jeho najmenšia koncentrácia je presne v strede bunky, kde sa môže Z-prstenec potom vytvoriť. Vďaka tomu vie bunka na biofyzikálnej úrovni nájsť presný stred bunky a pretože tam je najmenej MinC inhibítora, tu môže FtsZ proteín polymerizovať a následne vznikať miesto delenia.
A ako nájde šestinu?
To sa ešte len študuje. Máme nejaké výsledky, ale zdá sa, že kým to rozlúskneme, potrvá to roky.
Prečo je dôležité skúmať sporuláciu?
Bunky medzi sebou komunikujú. Obrazne povedané, hovoria si: „Aha, už nemáme dosť jedla, musíme vysporulovať.” Prvým jasným znakom sporulácie je vytvorenie sporulačnej priečky v jednej šestine dĺžky bunky, ktorá ju rozdelí na dve rozdielne časti, väčšiu materskú bunku a menšiu prespóru. Materská bunka sa následne začne vyvíjať inak ako prespóra, spustí expresiu iných génov. Expresia znamená, že DNA sa prepíše na RNA a tá sa následne prepíše na proteíny. Podobne sa to deje napríklad v našom tele pri embryogenéze, čiže bunka sa na určitej úrovni rozhodne, či bude napríklad bunkou pečene alebo bunkou pokožky. V oboch ostane tá istá genetická informácia, ale spustí sa v nich expresia iných génov, tým pádom sa vytvoria iné proteíny. Hovoríme tomu diferenciácia. Študujeme, ako sa to stane počas bakteriálneho diferenciačného procesu, teda sporulácie. Procesu, ktorý je vlastne najjednoduchším diferenciačným procesom. V tomto prípade, v jej poslednom štádiu, keď materská bunka spotrebovala všetky svoje zdroje na to, aby vybudovala veľmi rezistentnú spóru, sa sama zničí. Zaujíma nás, ako je celý proces riadený na úrovni morfologickej a aj na úrovni génovej expresie.
Riešite teda niekoľko hlavolamov, ktorých rozlúštením môžete viac priblížiť vznik života.
To je dôležité z pohľadu základného výskumu. Ale preto, že tieto deje študujeme na molekulárnej úrovni, zaoberáme sa aj proteínmi. Keď máme 3D štruktúru proteínu, môžeme nadizajnovať organickú látku, ktorá presne zapadne do jej aktívneho miesta, tým pádom proteín prestane fungovať. Keď ide o deliaci proteín v nejakej patogénnej baktérii (choroboplodnom zárodku – pozn. red.) a organická látka, ktorú naň posadíte, nemá na ľudský organizmus vedľajšie účinky, máte nové antibiotikum.
Vzhľadom na to, že máme problémy s multirezistentnými baktériami, na ktoré existujúce antibiotiká nezaberajú a nové antibiotiká sa veľmi ťažko vyvíjajú, je takýto výskum mimoriadne potrebný.
Okrem toho skúmame aj proteíny z obalu spóry. Obal spóry je ako mimoriadne pevné brnenie, ktoré obsahuje viac ako sedemdesiat rôznych proteínov. Keď niektoré tieto proteíny „nadprodukujeme” v inej nesporulujúcej baktérii, vznikajú presne usporiadané nanoštruktúry. My ľudia dokážeme vyrobiť štruktúry v mikrometroch, aké sú napríklad v počítačových čipoch. Ale baktéria, bez toho, aby ste ju nejako zložito riadili, len jej dáte živiny, povedzme cukor, za noc urobí presne usporiadaných nanoštruktúr, koľko len chcete.
Ako by sa dali využiť?
Hlavne v bionanotechnológiách. Dokážeme na tieto štruktúry umiestniť v nanometrovej škále iné proteíny – enzýmy, protilátky alebo aj kovy.
Viacerí vedci v súvislosti s pandémiou nového koronavírusu presmerovali svoj výskum na hľadanie liečiva proti SARS-CoV-2. Nejdete aj týmto smerom?
Pracujeme na 3D štruktúrach dôležitých proteínov SARS-CoV-2. Pomocou týchto štruktúr sa potom dajú dizajnovať malé organické molekuly, ktoré zablokujú funkciu kľúčových proteínov tohto vírusu. Výskum robíme aj s ďalšími kolegami zo Slovenska v spolupráci s pracoviskom XFEL v Hamburgu. Príprava lieku ale trvá oveľa dlhšie ako príprava vakcín. V rámci boja proti covidu je vakcína úžasná, ale ešte lepšie by bolo, keby sme mali aj liečivá, lebo by sme odstránili strach z ochorenia, ktorý ľudia majú.
Čo pre vás znamená ocenenie Vedec roka?
Bolo mi veľkou cťou prebrať túto cenu, ale neberiem to ako ocenenie pre jedného vedca, ale ocenenie pre všetkých mojich domácich i zahraničných spolupracovníkov.
