Vědci pod vedením Josefa Lazara, Ph.D. z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR (ÚOCHB) prokázali, že molekuly fluorescentních proteinů se chovají jako antény, jejichž optické vlastnosti, tedy to, jak dokáží pohlcovat a vyzařovat světelné záření, závisí na jejich prostorové orientaci. Fluorescentní proteiny, původně objevené v medúzách, jsou v současnosti široce používány ke studiu molekulárních procesů v živých buňkách a organismech. Nově popsané vlastnosti těchto molekul tak naleznou uplatnění v základním biologickém výzkumu, ale též při vývoji nových léčiv.

Článek týmu výzkumníků z ÚOCHB, Mikrobiologického ústavu a Ústavu molekulární genetiky AV ČR vyšel 22. prosince 2020 v prestižním časopisu americké Národní akademie věd Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).¹

Fluorescentní proteiny pohlcují světlo pouze z některých směrů 

K dosažení těchto výsledků vědci připravili bakterie s fluorescentními proteiny, nalezli podmínky, za nichž tyto proteiny vytvářejí krystaly, a zjistili atomární strukturu těchto krystalů. S pomocí unikátního mikroskopu, vyvinutého ve skupině, potom proměřili, jak tyto krystaly absorbují a emitují světelné záření, a pomocí výpočtů zjistili směrové vlastnosti jednotlivých molekul. Díky tomu byli schopni potvrdit, že molekuly fluorescentních proteinů se nechovají jako světélkující body, za které jsou často mylně považovány, ale jako miniaturní antény. Podobně jako antény rádia, WiFi či televizního vysílače tyto molekuly pohlcují světlo pouze z některých směrů a stejně tak vysílají záření pouze do určitých směrů. Výzkumníkům se rovněž podařilo tyto směry přesně určit.

Možnost, že se molekuly fluorescentních proteinů mohou projevovat jako antény schopné v závislosti na své orientaci pohlcovat vnější záření, byla teoreticky předpokládána již dříve, ale dlouho se nedařilo ji potvrdit, což omezovalo její využití. Překážky se podařilo překonat až Josefu Lazarovi z ÚOCHB a jeho týmu specializujícímu se na vývoj a uplatňování technik pokročilé optické mikroskopie.

„Z výsledků jiných laboratoří i z našich vlastních jsme tušili, že se molekuly fluorescentních proteinů pravděpodobně chovají jako antény. Přesto pro nás bylo překvapením vidět, jak dokonale tato analogie platí a jak přesně jsme byli schopni určit, z jakých směrů tyto molekuly pohlcují a vyzařují světlo," říká Josef Lazar z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR.

„Důležitost našeho objevu spočívá v tom, že ačkoliv jsou molekuly fluorescentních proteinů široce používány v biologickém výzkumu, fakt, že se chovají jako antény, není doceněn a není ani zatím téměř využíván. Znalost směrových vlastností fluorescentních proteinů přitom může umožnit zcela nové způsoby jejich využití," dodává vědec.

Nové způsoby využití fluorescentních proteinů 

Skutečnost, že molekuly fluorescentních bílkovin fungují jako miniaturní antény, není zajímavá jen jako fyzikální kuriozita, ale může mít i důležité praktické využití. Připojení fluorescentního proteinu k nějakému jinému zkoumanému proteinu tak znamená připojení miniaturní antény. Pomocí této antény bude možné detailně zjišťovat změny tvaru molekul zkoumaného proteinu v živé buňce, mimo jiné třeba i vlivem nějakého léčiva. Současný objev tak nalezne uplatnění ve zkoumání důležitých fyziologických procesů na molekulární úrovni, ale i ve vývoji nových léků

Tým Josefa Lazara ve spolupráci s dalšími skupinami z ÚOCHB se také již snaží využít současných poznatků např. při studiu fyziologického působení inzulínu a k vývoji jeho náhražek, které by se daly užívat orálně. Jiným příkladem možného použití současného objevu je sledování elektrických signálů v nervových buňkách, které může najít uplatnění ve studiu mozku a neurologických onemocnění.

1. Jitka Myšková, Olga Rybakova, Jiří Brynda, Petro Khoroshyy, Alexey Bondar, Josef Lazar. Directionality of light absorption and emission in representative fluorescent proteins. PNAS (2020). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2017379117

Foto na úvodní dlaždici: Krystalky fluorescentního proteinu mTurquoise 2 zobrazené pomocí optického mikroskopu. Foto: Josef Lazar / ÚOCHB

Zdroj: ÚOCHB, tisková zpráva 2. 12. 2020