E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Rozplétání (tajemství) nukleových kyselin

Profesor Michal Hocek je nepřehlédnutelnou postavou nejen naší fakulty, ale české chemie vůbec. Jeho doménou je oblast, která se laikům může zdát již poměrně dobře probádaná: výzkum nositelky dědičnosti, makromolekuly DNA.

 

Prof. Michal Hocek. foto: archiv Michala Hocka

 

Vážený pane profesore, ještě než obrátíme pozornost k Vaší vědecké práci, která si nedávno připsala další velký mezinárodní úspěch, zastavme se na moment u Vašeho institucionálního zázemí. Scházíme se na půdě nově postavené budovy Ústavu organické chemie a biochemie v Dejvicích. Současně jste i profesorem na Katedře organické chemie naší fakulty. Jak vlastně vypadá vaše dělba práce mezi obě instituce?

Naše laboratoř je od počátku mého působení na PřF UK od roku 2011 společnou laboratoří UOCHB AV a Přírodovědecké fakulty, která je smluvně zajištěná, a já sám mám částečný úvazek na obou institucích. Výhodou je, že tímto způsobem můžeme čerpat granty na obou místech a poskytovat členům týmu prostorové a institucionální zázemí. Dalším významným přínosem je možnost blízké interakce a spolupráce s vynikajícími kolegy na obou pracovištích a přístup k talentovaným studentům. Studenti před dokončením magisterského cyklu, kteří v mém týmu pracují, jsou výhradně studenty PřF UK.

 

Jak je to s doktorandy a vědeckými pracovníky?

Co se týče doktorandů - mám zásadu, že do týmu neberu studenty, kteří už u mě dříve dělali diplomku nebo bakalářku (těm doporučuji přejít na PhD do jiné laboratoře a naučit se zase něco jiného). Doktorandi tedy pocházejí z PřF UK, ale i VŠCHT a jiných tuzemských universit, ze Slovenska, i ze vzdálenějšího zahraničí (Ukrajina, Polsko, Srbsko, Rusko, Kanada). Cizinci tvoří v současnosti asi polovinu mého týmu. Jejich doktorské studium se většinou váže k Přírodovědecké fakultě, studenti VŠCHT však také nejsou výjimkou, UOCHB má s touto institucí také partnerskou smlouvu. Poměr studentů obou institucí je v mém týmu v současnosti asi 2 : 1.

 

A jak je váš tým rozdělen prostorově?

V budově Přírodovědecké fakulty se momentálně nachází jen menší část našeho týmu (3-4 studenti) - zatím chybí prostory a omezené jsou i přístroje nutné na náš výzkum. Zásadní změnu by však měla přinést výstavba Biocentra, tedy jednu z nových budov plánovaného Kampusu Albertov. Zde by mělo být nejen víc prostoru, ale i přístrojové vybavení potřebné pro tu oblast chemie a biologie, jíž se v naší práci zabýváme.

 

"Hocek group" v roce 2013

 

Můžete být tedy ohledně předmětu svého vědeckého zájmu konkrétnější?

Naše pracovní skupina se zabývá bioorganickou chemií složek nukleových kyselin. Tyto  složky, tedy nukleotidy a nukleosidy, modifikujeme z několika různých důvodů a s několika různými cíli aplikací. Zjednodušeně můžeme říci, že při  modifikacích existují v podstatě tři základní situace s různými možnými způsoby využití. Naše práce se v principu zabývá každou z těchto možností.  

 

Přiblížíte nám je postupně? 

První z nich je ta, že  enzymy, které se věnují stavbě a “čtení” DNA,  tyto modifikované složky buď vůbec nerozpoznají. Nebo je rozpoznají, ale nedokáží s ní pracovat.  Důsledkem této situace je často inhibice těchto enzymů. Inhibice tvorby stavebních kamenů či syntézy DNA  může mít dalekosáhlé medicínské aplikace. K tvorbě  DNA dochází především v situacích, kdy se buňka dělí. Nejvíce dělícími se buňkami lidského těla jsou rakovinné. Najdeme-li látku, která je efektivním inhibitorem některého z enzymů metabolismu nukleových kyselin, je selektivní a není toxická, pak ji můžeme dál zkoumat a hledat, zda by z ní časem nemohl být lék, využívaný v protinádorové terapii. Mezi nalezením biologicky aktivní látky, jichž máme řádově desítky až stovky a lékem na pultě lékáren je však ještě “deset let, miliarda dolarů a pravděpodobnost 1: 10 000”. Příkop je tedy obrovský - pokud se však nezkoumají nadějné látky, tak se k němu nikdo ani nepřiblíží.  

 

A jak vypadá situace ve Vašem výzkumu v této oblasti nyní?

V tuto chvíli máme několik nadějných nukleosidů s nanomolární cytostatickou aktivitou in vitro, které se snažíme přes tento příkop dostat co nejdále, ale od určité fáze to nejde bez přímé spolupráce s farmaceutickým průmyslem. Naštěstí máme velmi dobrou spolupráci s firmou Gilead Sciences z USA, se kterou intenzivně spolupracujeme a která i finančně podporuje některé naše studie.

 

Snad se vám tedy podaří nějakou nadějnou látku dovést co nejdále. Můžete nám přiblížit ještě další možnosti ve vztahu umělými stavebními kameny a enzymy, o nichž jste mluvil před chvílí?

Další možností je, že enzymy umělé stavební kameny  rozpoznají a dokonce je i zabudují do DNA či RNA. V této oblasti zkoumání je cílem vytvořit takové modifikované nukleosidy a nukleotidy, které jsou zcela ortogonální k přirozeným stavebním kamenům. Takové báze se nepárují s bázemi přirozenými, ale mohou se párovat jedna s druhou navzájem.

 

Dalo by se říci, že vlastně pracujete na možnosti rozšíření genetické abecedy?

Přesně tak. V této oblasti spolupracujeme s několika týmy ze zahraničí. Dlouhodobým cílem je vytvořit abecedu s pátým a šestým písmenem. Kdyby se taková DNA implementovala do umělého organismu, který by s  ní  uměl pracovat, pak by bylo v principu možné kódovat podstatně rozšířenou paletu aminokyselin. V konečném důsledku by pak byla možná biosyntéza proteinů například se stovkou těchto základních staveních kamenů proteinů.

 

Jak vypadá situace ve světové vědě na tomto poli?

Řada světových laboratoří pracuje na rozšíření genetické abecedy, ale jen 3 týmy v tuto chvíli mají fungující třetí pár, který ale ještě zdaleka není optimální. Takže se navrhují a studují další – nyní máme zrovna v tisku společný článek s Floydem  Romesbergem ze Scrippsova ústavu  na testování stovek takovýchto kombinací. Právě Romesbergova laboratoř letos publikovala v časopise Nature zásadní publikaci popisující první bakterii replikující šestipísmennou genetickou abecedu, ale k životaschopnému organismu je ještě daleko.

 

Schema enzymaticke syntezy modifikované DNA a příklady funkčních skupin a značek vyvinutých ve skupině Prof. Hocka

 

V úvodu jste zmínil i další, třetí možnost vztahu mezi uměle modifikovanými stavebními kameny a enzymy.

Této třetí variantě se vlastně věnujeme nejvíc a máme v ní také nejvíc úspěchů. Jde v podstatě o situaci, kdy modifikaci zaneseme do polohy, že se látka chová jako normální nukleotid. Polymerázy se k němu pak chovají jako k přirozeným substrátům a zainkorporují je do DNA nebo RNA místo jednoho z přirozených nukleotidů.

 

Jakými principy se takové modifikace řídí?

Většina modifikovaných oligonukleotidů se připravuje tradiční chemickou cestu syntézy na pevné fázi. V naší laboratoři se ale zabýváme hlavně alternativní enzymatickou syntézou. V roce 2006 se nám podařilo vyvinout nový způsob syntézy modifikovaných nukleotidů s pomocí tzv. cross-coupling reakcí, kterými zavádíme substituent do takové polohy na bázi, aby mohla standardně párovat v DNA a modifikace mířila do velkého žlábku DNA, kde je na ní dostatek prostoru. Polymeráza takovéto nukleosid trifosfáty bere jako substrát a vyrábí tak chemicky modifikované nukleové kyseliny. Tato metoda umožňuje velmi jednoduchý způsob vkládání fluorescenčních nebo chemicky elektrochemicky aktivních značek či reaktivních skupin, jimiž lze k nukleové kyselině vázat například proteiny.  Tímto směrem se také rozvíjí velká část našich současných výzkumů.

 

V nedávné době jste právě v této oblasti učinili poměrně nečekaný objev.

Ano. Recenzenti prestižního odborného časopisu Angewandte Chemie byli ve  svých posudcích dokonce  tak nadšení, že jej označili za  “paradigm shift”, tedy zásadní změnu pohledu na věc. I když je toto kladné hodnocení jistě nadnesené, faktem je, že článek byl i přes jinak velmi přísné oponentské hodnocení přijat velmi rychle a v podstatě bez připomínek. Vyšel dokonce v rubrice “hot article”, která tvoří v tomto časopise pomyslný výběr z již tak velmi přísně vyselektovaných článků, které jsou zde publikovány.

 

Nadšení jistě nebylo náhodné. V čem tedy přesně spočívá podstata vašeho objevu?

V jádru lze jeho podstatu shrnout velmi jednoduše: podařilo se nám najít celou skupinu látek, které jsou lepšími substráty pro DNA polymerázu, než je dATP, tedy její substrát  přirozený. Právě toto byl v očích recenzentů Angewandte Chemie onen posun paradigmatu. Běžně totiž máme totiž za to, že evoluce probíhala velmi dlouho a díky mnoha pokusům a omylům se vyladila na optimální funkci. Nikoho tedy ani nenapadlo, že by mohly existovat stavební kameny, které plní svou funkci lépe a efektivněji než ty, s nimiž příroda pracuje již miliardy let.

 

Jak jste tuto hypotézu testovali?

Vyzkoušeli jsme kompetitivní inkorporaci modifikovaných i nemodifikovaných nukleosid trifosfátů. Ukázalo se, že prakticky všechny polymerázy, které jsme studovali, preferují 7-deazaadeninové nukleosid trifosfáty nesoucí aromatické (i poměrně velké) substituenty v poloze 7, například 7-fenyl-7-deaza-dATP, proti normálnímu dATP.

 

Máte pro to vysvětlení?

Ano, následně jsme udělali velkou kinetickou studii a zjistili jsme, že tyto modifikované nukleosid trifosfáty mají mnohem vyšší afinitu ke komplexu enzym-templát-primer. Tato studie ukázala, že v tomto místě je zvýšená tzv. π-π stacking interakce, díky čemuž je afinita modifikovaného nukleosid trifosfátu podstatně vyšší.  

 

Schéma kompetitivní inkorporace modifikovaného nukleosid trifosfátu polymerázou v přítomnosti přirozeného dNTP

 

Dalo by se tedy říci, že Váš objev ukazuje podobu skladování a čtení genetické informace, známou ze všech současných organismů,  jako “zmrzlou náhodu”?

Já se přiznám, že takto filosoficky věc nerozebírám. Evolučním přesahem našeho objevu je, že současný genetický systém nemusí být zdaleka tím nejoptimálnějším. V principu by tedy mohlo být možné nadesignovat lepší, který by mohl být v konkurenci ostatních ještě úspěšnější.  Náš objev zkrátka ukazuje, že evoluce oportunisticky zkonverguje do jisté situace, o níž však zdaleka není jisté, že jde o globální minimum, které bychom od přírody očekávali.

 

A má kromě svého jistě velkého teoretického významu také nějakou šanci na praktické aplikace?

Ano, ale vše bude jistě záležitostí běhu na dlouhou trať. V současné době směřují naše výzkumy k praktickým aplikacím v diagnostice (redoxní kódování DNA bází) a v chemické biologii, kdy v rámci nového projektu vyvíjíme chemické přepínače transkripce.

 

Tak ať se Vám daří! Já Vám poděkuji za rozhovor a popřeji Vám i celému Vašemu týmu úspěchy nejen na poli teorie, ale i praxe.


Ptal se: Michal Andrle

 

Titulní ilustrace:  DNA methylation, CC BY-SA 3.0

Christoph Bock (Max Planck Institute for Informatics) 

 

Publikováno: Středa 27.08.2014 16:15

Akce dokumentů

Kategorie: