Popularyzując wiedzę można podawać informacje w formie przystępnej i zrozumiałej dla odbiorcy lub wspiąć się na poziom ogromnego skomplikowania, gubiąc czytelność przekazu. Ten drugi pomysł na podawanie wiadomości szerokiemu odbiorcy z trudnego zbioru, jakim jest nauka, uważam za całkowitą stratę czasu. Nie zraża to jednak wielu dziennikarzy i badaczy do aplikacji „myślowych pokrętności”, przed którymi zwykły śmiertelnik musi złożyć broń. Jedynym usprawiedliwieniem takiego działania pozostaje wyjaśnienie, że przecież nieznajomość rzeczy nie mąci jasności obrazu. Tylko po co taki wysiłek, który nie przynosi efektów? Pozwolą więc Państwo, że zostanę przy swoim, sprawdzonym sposobie opowiadania o nauce.

Krojenie białka

Wizyta w Środowiskowym Laboratorium Spektrometrii Mas Instytutu Biochemii i Biofizyki Polskiej Akademii Nauk wymusza u zwiedzającego koncentrację i wolę skupienia, bo właśnie tu pracuje się nad rozwikłaniem wielu tajemnic. A są to rzeczy trudne i niełatwe do opowiedzenia.

Tajemniczo brzmiącą spektrometrię mas można wyjaśnić jako ważenie cząsteczek, molekuł. – To nic innego, jak bardzo precyzyjna waga – mówi prof. Michał Dadlez, kierownik laboratorium. Masa cząsteczki to 10−27! Tak zapisana wartość nie pobudza jednak wielkiej ciekawości. Natomiast stwierdzenie, że masa przeciętnej cząsteczki wyrażana w gramach zawiera 27 zer po przecinku i dopiero jakieś liczby, otwiera szeroko przestrzeń wyobraźni. Połączenie tak dokładnego ważenia molekuł np. z biologią czy medycyną nazywa się proteomiką. To młoda nauka, ma zaledwie 15 lat i w niczym nie przypomina dziecka, które dopiero poznaje świat. Jej bazą jest badanie proteomów, czyli dużych zespołów białek.

Dlaczego jest to tak ważne? Wystarczy spojrzeć na biologię. Funkcjonuje ona dzięki dużym zespołom białek, które biorą udział we wszystkich procesach. Trywializując, możemy je porównać do roboczych wołów ciągnących ciężar wszelkich zachodzących w organizmie zjawisk.

Do tej pory uczeni zajmowali się głównie badaniem pojedynczych białek lub ich zespołami. Era genomiczna, która poznała dosyć dobrze materiał genetyczny całych organizmów, zmieniła tę koncepcję. Zaczęto patrzeć globalnie na złożone zestawy genów, zwane genomami, potem przyszedł apetyt na globalną analizę rezultatu funkcjonowania genomów, czyli zestawów białek tworzonych na matrycy genomu, a zwanych proteomami. Teraz w biologii interesuje nas nie tylko DNA, ale białka, bo to w końcu one są w głównej mierze odpowiedzialne za zachodzenie procesów biologicznych. Stworzono technologię pozwalającą identyfikować złożone zestawy białek obecnych w preparatach biologicznych. Nauka otrzymała więc kolejne doskonałe narzędzie badawcze. Jest nią spektrometria mas. Ważąc cząsteczki potrafimy identyfikować białka. Nasuwa się więc pytanie: jak waga potrafi wskazać rodzaj białka i funkcję, którą spełnia?

Prof. Michał Dadlez podaje prostą odpowiedź. Białka są liniowymi polimerami aminokwasów, czyli tworami chemicznymi, które mają w różnej kolejności połączone ze sobą aminokwasy. Są to bardzo długie łańcuchy. To, w jakiej kolejności aminokwasy są połączone, decyduje o funkcji danego białka. I tak np., w zależności od połączenia, białko może być albo cegiełką szkieletu budującego komórkę, albo enzymem przyspieszającym jakąś reakcję chemiczną, albo np. może przekazywać sygnały jako receptor. Takich funkcji znajdziemy wiele. A o wszystkim decyduje kolejność połączenia aminokwasów. Ciekawa jest też technika ważenia. Wystarczy w odpowiedni sposób pociąć te białka na bardzo drobne kawałki i zważyć. Masa kawałka decyduje, z jakich aminokwasów jest on złożony. Prof. Dadlez zapewnia: – W laboratorium potrafimy już tak drobno kroić, że czytamy całą sekwencję fragmentów białka, która często jednoznacznie identyfikuje typ białka. Im dokładniej zważymy, tym większa pewność, że mamy właśnie określony rodzaj białka. A dokładność naszych pomiarów dochodzi do jednej części na milion, co oznacza, że masę cząsteczki można zważyć z dokładnością do jednej milionowej wartości tej masy.

Kanał chlorkowy

Środowiskowe Laboratorium Spektrometrii Mas PAN bierze udział w projektach badawczych prowadzonych przez wielu partnerów krajowych i zagranicznych. Laboratorium służy aparaturą, technologią i doświadczeniem w prowadzeniu pomiarów. Badania dotyczą najczęściej nauk biomedycznych na poziomie proteomicznym. W laboratorium można ustalić, jakim zmianom ulegają białka, jak się modyfikują, jak się zmienia ich struktura chemiczna, która decyduje o aktywności białka.

Bardzo ciekawy, a prowadzony wspólnie z naukowcami francuskimi, jest projekt związany z mukowiscydozą. Sześć lat temu prof. Edelman z Instytutu Neckera w Paryżu, zajmujący się tą chorobą, zwrócił się do PAN o wsparcie jego prac. Uzasadniał to wielkimi możliwościami badawczymi, którymi już wtedy dysponowało warszawskie laboratorium. Ten poziom nie był wówczas dostępny francuskim uczonym. Lata obserwacji i badań dowiodły, że mukowiscydoza jest chorobą dziedziczną, spowodowaną tylko jedną mutacją. Poznaliśmy nawet jej mechanizm. Polega on na usunięciu z sekwencji pewnego białka jednego aminokwasu na pozycji 508 w sekwencji białka odpowiedzialnego za przewodnictwo jonów chloru w komórkach nabłonkowych płuc. To białko nosi nazwę kanału chlorkowego CFTR. Jest on odpowiedzialny za transport jonów chloru między wewnętrznymi a zewnętrznymi komórkami nabłonka płuc. Usunięcie tego aminokwasu z pozycji 508 sprawia, że białko nie transportuje jonów chloru. Skutkuje to powstawaniem dużej ilości śluzu w płucach, którego odprowadzenie sprawia ogromne trudności. Do dziś jest to choroba nieuleczalna, niestety o wysokiej śmiertelności. Medycyna potrafi jedynie przedłużać życie i ograniczać cierpienie. Za sukces uznawane jest przesunięcie śmierci o 20 lat.

W Instytucie Matki i Dziecka w Warszawie dr Dorota Sands prowadzi grupę chorych na mukowiscydozę. Środowiskowe Laboratorium Spektrometrii Mas PAN ściśle współpracuje z panią doktor oraz naukowcami z Francji. Założenia projektu badawczego, mającego lepiej poznać jednostkę chorobową, są następujące: podłoże genetyczne jest identyczne, ale przebieg różny, np. u rodzeństwa. Zakłada się też, że czynnikiem modyfikującym przebieg mukowiscydozy są jakieś inne białka, które modulują przebieg tej choroby. Jaka jest strategia badawcza powstała w wyniku współpracy międzynarodowej? Można ją rozpisać na kilka etapów. W pierwszym prowadzone były obserwacje na układzie modelowym. Służyły do tego celu specjalne komórki HeLa, używane w medycynie do badań i doświadczeń. Zaopatrzono je w gen nieuszkodzonego kanału chlorkowego i w gen uszkodzony, zmutowany. Teraz trzeba było tylko obserwować i wyciągać wnioski z tego, co się działo. Udało się wyłowić kilka białek, których w linii z mutacją było więcej. Cały zestaw białek dzielono następnie na specjalnym żelu, aby otrzymać coś w rodzaju mapy. Każde białko wędruje bowiem w żelu inaczej, tworząc barwne plamy. Z intensywności tych plam widać, ile tego materiału jest. Plama pozwala też na ustalenie rodzaju białka, właśnie dzięki zastosowaniu dostępnych narzędzi analiz proteomicznych. Dziś wiadomo, że to keratyna 18. Zauważono, że jeżeli pojawi się zmutowany kanał chlorkowy, to wzrasta też ilość keratyny 18.

Badania takie wykonano w 2004 roku na układzie modelowym. Dwa lata później Francuzi przeprowadzili podobne doświadczenia na komórkach nabłonka płuc. Wyniki były podobne, ale to nadal nie są jeszcze eksperymenty na żywym organizmie. Nadzieja na potwierdzenie, że keratyna 18 moduluje mukowiscydozę, jest jednak bardzo duża. A to może otworzyć drogę skuteczniejszemu leczeniu tej choroby.

Krąg zainteresowań

Laboratorium bierze też udział równolegle w dziesięciu innych projektach. Większość z nich pozostaje w kręgu biologii i medycyny. Są związane z poznaniem mechanizmów wywołujących raka czy chorobę Alzheimera, a także nowych, potencjalnych metod diagnostycznych w chorobach nowotworowych. Zauważono bowiem, że pojawienie się raka zmienia zestaw fragmentów białek (tzw. peptydom) w surowicy lub osoczu krwi. Analizy z użyciem spektrometrii mas pozwalają odróżnić osoby zdrowe od chorych i nawet odróżniać rodzaje nowotworu. Bada się np. nowotwory pęcherza, piersi, jajników.

Inny krąg zastosowań proteomiki to np. biologia roślin. Jeden z prowadzonych projektów ma na celu zidentyfikowanie białek odpowiedzialnych za wirulencję bakteryjnego patogenu roślin. Czy decyduje o tym znowu jakiś zestaw białek? Naukowcy szukają odpowiedzi na to i szereg innych jeszcze pytań.

Ciekawym projektem są też badania prof. Dobrowolskiej związane z mechanizmem odpowiedzi rośliny na stres.

Liczby, nawet w nauce, są wymiernym wskaźnikiem skuteczności działania. W roku 2006 laboratorium wykonało 2000 prób, teraz do czerwca jest już ich ponad 1200. W pokojach badawczych przez cały dzień ktoś pracuje. Królują tu młodość, pasja i twórcze działanie. Każdy, kto chce zmierzyć się z wieloma jeszcze zagadkami w nauce, może to zrobić właśnie tu. Placówka jest otwarta na wszystkie środowiska w kraju i za granicą. Spotkamy w niej młodych absolwentów i studentów wyższych uczelni z całego świata, przychodzą nawet gimnazjaliści, zafascynowani karierą naukowca. Powstają prace naukowe, doktoraty, a ci, którzy kończą staże, nie są pozostawiani samym sobie. Czują wymierną opiekę i merytoryczne wsparcie swoich nauczycieli. Takie miejsca, to dowód, jak zmienia się Akademia. Tu rozumie się, że inwestycja w młodych, zdolnych i pracowitych ludzi jest najlepszą polisą na przyszłość, nie tylko PAN, ale i naszego kraju.