Úspěch na workshopu zaměřeném na makromolekulární krystalografii

Univerzita v Kapském městě pořádala na začátku března workshop s názvem CCP4 Crystallographic School in South Africa. Kvůli současné situaci byl samozřejmě v online prostředí a velkého úspěchu na něm dosáhla Ing. Andrea Schenkmayerová Ph.D. z Loschmidtových laboratoří PřF MU a FNUSA-ICRC. Výzkumnice týmu Proteinové inženýrství vyhrála cenu za nejlepší poster s názvem Strukturní analýza halogenalkandehalogenázy z podskupiny HLD-III (Structural analysis of a haloalkane dehalogenase from subfamily HLD-III).

Obecně vzato je krystalografie vědní disciplína, která se zabývá především studiem uspořádání a navázání atomů v krystalech a studiem geometrické struktury krystalových mřížek. Ačkoli si většina z nás představí krystal jako například zrnko soli, moderní koncepce krystalu je založena přímo na charakteristikách vnitřní struktury na úrovni atomů nikoli na základě jeho vnějšího tvaru. Krystalický stav látky je energeticky výhodnější a v současnosti dokážeme do tohoto stavu dostat nejen minerály, ale také slitiny kovů či molekuly organických sloučenin. Významu krystalografie podtrhuje také fakt, že za výzkum a související výsledky bylo doposud uděleno 32 Nobelových cen.

Makromolekulární krystalografie se zabývá studiem struktury a prostorovým uspořádáním biologických makromolekul (např. proteinů, DNA) a jejich komplexů, což je klíčové pro pochopení jejich funkce v organismech. Detailní porozumění struktury a funkce biologických makromolekul je pak klíčové pro pochopení složitých buněčných procesů, jejich homeostáze ale i jejich patologických projevů.

Krystalografie se používá také pro výzkum nových proteinů a jejich inhibitorů, které by se daly využít například jako léky. Léčebný efekt je ovlivněn mimo jiné tvarem molekul léčebné složky, takže krystalografie zde funguje jako nástroj pro získání informací o tvaru molekul. V této oblasti bychom však klasický optický mikroskop nenašli, světlo má příliš dlouhou vlnovou délku – pro mikroskopii na molekulární úrovni se používají zařízení využívající například rentgenové záření. Obecně se dá říct, že nejlepší lék je ten, jehož molekula zapadne do vhodného vazebného místa v makromolekule a tím ovlivní její biologickou činnost.

Ing. Andrea Schenkmayerová Ph.D. se ve své práci zaměřila na doposud strukturně neprobádané enzymy z rodiny halogenalkandehalogenáz. Tyto enzymy mají zajímavou vlastnost – katalyzují štěpení vazeb uhlík-halogen za vzniku odpovídajícího alkoholu, halogenového aniontu a protonu. Díky těmto vlastnostem jsou tyto enzymy využívané v různých biotechnologických aplikacích. Kromě halogenalkandehalogenázové aktivity byla v posledních letech zjištěna u některých těchto enzymů i lakton dekarboxylázová aktivita, což vyvolalo širokou vědeckou diskuzi co je přirozená biologická funkce těchto enzymů a jak se během evoluce vyvinula.

„Na tomto projektu začala pracovat kolegyně Ing. Klaudia Chmelová, po jejím odchodu na mateřskou jsem se tomu začala věnovat já,“ uvedla Schenkmayerová. „Šlo o opravdovou výzvu, protože doposud se nikomu na světě nepodařilo určit strukturu enzymu z podskupiny HLD-III, a to z toho důvodu, že tvoří heterogenní oligomerní struktury, což značně znemožňuje jejich strukturní analýzu. V naší laboratoři se systematickou prací podařilo vypracovat metodu, pomocí které jsme schopni připravit relativně homogenní enzymové preparáty, což otevřelo cestu pro jejich strukturní analýzu pomocí kryo-elektronové mikroskopie a rentgenové krystalografie. Ačkoliv se nám nakonec podařilo připravit krystaly tohoto enzymu a nasbírat kvalitní krystalografická data, stále jsme měli problém strukturu vyřešit kvůli atypickému vnitřnímu uspořádání krystalu a nižšímu rozlišení získaných krystalografických dat.“

Na workshop se tak přihlásila s prací, která ještě potřebovala dotáhnout, a za pomoci lektorů se to nakonec podařilo. Šlo o opravdu mezinárodní spolupráci, na výsledku se podílel například profesor Kay Diederichs z Univerzity v Kostnici či profesor Randy J. Read a Dr. Tristan Croll z univerzity v Cambridge. Důležitá data byla získána v laboratořích CEITEC a měření probíhalo také na synchotronovém zařízení Swiss Light Source ve Švýcarsku.
.
„Jde o perfektní ukázku integrovaného přístupu ve strukturní biologii, který kombinuje současně více experimentálních přístupů tak, aby bylo možné vyřešit strukturu biomolekul, když jedna technika nestačí. Původní, řekněme divoký typ proteinu tvořil různé typy oligomerů a nedařilo se nám jej dlouho vykrystalizovat. Za pomocí metod proteinového inženýrství jsme připravili stabilizovanou formu enzymu, která nevytvářela tolik různých druhů oligomerů, a podařilo se nám jej vykrystalizovat. I přes všechny těžkosti se na workshopu podařilo vyřešit krystalovou strukturu tohoto dosud neprobádaného enzymu, což nám pomůže porozumět biologické funkci těchto velice zajímavých biokatalyzátorů,“ popsala Schenkmayerová.

V současné době se připravuje manuskript publikace, jakmile bude hotový, budeme Vás informovat.

Obr 1: Ing. Andrea Schenkmayerová PhD. se svým školitelem RNDr. Ing. Martinem Markem Ph.D.
Obr 2: Foto proteinového krystalu