Bunka ako chemická továreň

Zhovárame sa s Ing. Petrom Gemeinerom, DrSc., vedúcim oddelenia glykobiotechnológie Chemického ústavu SAV (na obrázku vpravo).
 
Kolektív oddelenia glykobiotechnológie Chemického ústavu SAV dostal v roku 2011 Cenu SAV za vedeckovýskumnú činnosť. Tím získal ocenenie za súbor prác v oblasti imobilizovaných biotechnológií. Imobilizácia znamená uchytenie biosystémov na rôzne povrchy alebo ich uzavretie dovnútra rôznych častíc, čím získavajú nové a užitočné vlastnosti.

V akých oblastiach výskumu využívate na vašom oddelení imobilizované bunky a enzýmy?
Rozvíjame tri oblasti výskumu. V prvej ide o imobilizáciu baktérií. Uzatvárame ich do špeciálnych kapsúl využívaných na vývoj účinnejších východiskových látok rôznych liečiv a prírodných aróm. Druhou oblasťou je výskum a vývoj biobatérií schopných pomocou mikróbov generovať elektrinu z biologického odpadu a tiež vývoj nových biosenzorov monitorujúcich biotechnologické procesy. Treťou oblasťou je výskum a vývoj biočipov, ktoré budú schopné citlivo diagnostikovať rôzne ochorenia. Pozornosť venujeme aj využitiu nanoštruktúrovaných materiálov.

Čo pre vás znamenajú mikroorganizmy?
Na mikroorganizmy sa dá pozerať ako na továrne, v ktorých prebiehajú tisíce chemických reakcií. Umožňujú to enzýmy účinne premieňajúce vybrané látky na bioprodukty, tvoria sa však v nedostatočných množstvách. Techniky génového inžinierstva však výrazne zvyšujú schopnosti buniek produkovať enzýmy. Preto sa dnes vyrábajú dôležité liečivá ako inzulín či antibiotiká práve pomocou geneticky upravených baktérií. V spolupráci s Technickou univerzitou vo Viedni ich používame aj na výskum a vývoj nových východiskových látok antivírusových liečiv.

V čom je prínos vášho tímu pre výskum a využitie geneticky modifikovaných baktérií?
Geneticky upravené baktérie Escherichia coli produkujú istú skupinu enzýmov. Pomocou nich vedia premieňať veľký počet látok na chemicky veľmi čisté produkty použiteľné na vývoj liečiv. Naším prínosom je výskum a vývoj techniky imobilizácie buniek ich uzavretím v kapsulách, na čo sa špecializuje kolega Marek Bučko so spolupracovníkmi. Samozrejme, spolupracujú aj s ďalšími inštitúciami. Výhodou takýchto buniek je ich dlhšia životnosť a možnosť opakovaného použitia.

Mohli by ste vysvetliť princíp fungovania biobatérií?
Príprave a využitiu biobatérií sa v našom oddelení venuje kolega Ján Tkáč so spolupracovníkmi. Biobatéria, ktorú odborne voláme biopalivový článok, sa podobá klasickej batérii tým, že má dva opačne nabité konce. Tu však podobnosť medzi batériou a biobatériou končí. Biobatérie sú komplikovanejšie a ako už ich názov napovedá, obsahujú biozložku – enzýmy alebo mikroorganizmy. Pri troche zjednodušenia by sme mohli povedať, že princíp ich fungovania sa podobná dýchaniu. Na bioanóde oxidujú organické látky, napríklad cukry, čo si môžeme predstaviť ako spaľovanie joulov prijatých v strave vo forme tukov alebo sacharidov. Na biokatóde sa kyslík zasa spotrebúva imobilizovanými enzýmami. Ak je bioanóda prepojená s biokatódou, nastáva tok elektrónov, teda produkcia elektrickej energie. Biobatérie sú schopné premeniť energiu organických látok na elektrickú priamo bez akýchkoľvek medzistupňov.

V ktorých oblastiach vidíte uplatnenie biobatérií v praxi?
Budúcnosť biobatérií spočíva najmä vo využití organického odpadu. Pomocou neho sa pravdepodobne budú napájať malé prenosné elektronické zariadenia a priamo v čističkách odpadových vôd budú produkovať elektrickú energiu. V súčasnosti sa biobatérie vo forme bójí využívajú na napájanie senzorov monitorujúcich prúdenie a teplotu vody na otvorenom mori s automatickým odosielaním nameraných údajov.

Aké sú podľa vás najväčšie výzvy stojace pred využitím biopalivových článkov?
Výkon a stabilita biobatérií sa dajú zvýšiť v princípe dvoma spôsobmi – úpravami biozložiek v podobe mutačných zásahov a využitím nanomateriálov. Nanomateriály, ako sú uhlíkové nanorúrky alebo grafén, majú vysokú mernú plochu a vysokú katalytickú účinnosť. Spoločne s mutačnými zásahmi do biozložiek sa očakáva, že grafén pomôže uviesť biobatérie do komerčnej sféry.

Ako môžu imobilizované biotechnológie pomôcť pri diagnostike a liečení chorôb?
Ak má lekár podozrenie hoci na rakovinu lymfatických uzlín, hľadá v krvi pacienta znaky, markery, ktoré zdravý organizmus nemá. Robí to väčšinou pomocou špeciálnych bielkovín, napríklad protilátok. Diagnostiku by zrýchlilo, keby sme ich mohli nejakým spôsobom pripevniť, čiže uchytiť na povrch biočipu alebo biosenzora. A tu nastupujú imobilizované biotechnológie, ktorých úlohou je vyriešiť a zabezpečiť také uchytenie, aby samotné vyšetrenie malo požadovanú citlivosť a selektivitu. Aby sa dal biočip aj skladovať a aby jeho doba použitia bola dostatočne dlhá. My sa zameriavame na špeciálnu skupinu bielkovín – na lektíny. Lektíny sú schopné rozoznávať rôzne štruktúry cukru. Ukazuje sa súvislosť medzi zmenami v týchto štruktúrach a chorobami ako rakovina, reumatoidná artritída, Alzheimerova choroba a mnohé ďalšie. Postupne sa tak objavuje nová skupina markerov ochorení, tzv. glykobiomarkery. Naše lektínové biočipy nielen že sledujú zmeny štruktúry cukru, ale lektín sa na neprirodzenú štruktúru priamo naviaže, reaguje s ňou, a preto môže slúžiť ako nosič liečiva. Takto sa cielene dostane len k chorým bunkám, ktoré je potrebné zničiť.

Nanotechnológie a bunka, proteínové inžinierstvo, aké praktické výsledky môže spojenie týchto multidisciplinárnych odborov priniesť pre prax?
Trend je všetko miniaturizovať. Dnes sa už využívajú nanotechnológie a výskum smeruje ďalej do pikopriestoru. Malé rozmery a objemy prinášajú veľké možnosti. Napríklad lepšie rozlíšenie a cieľový zásah na presnom mieste povrchu bunky v súvislosti s diagnostikou a liečbou, ale aj znižovanie nárokov na spotrebu drahých diagnostických činidiel. Nižšie náklady na diagnostiku takto umožnia špičkové sledovanie markerov mnohých ochorení, dokonca viacerých ochorení, než je to momentálne možné, zvýšia citlivosť, rýchlosť a spoľahlivosť diagnostiky. Ďalšia z techník, ktoré používame, umožňuje vysokošpecifické stanovenie biomolekúl a sledovanie ich vzájomnej interakcie v reálnom čase pri ich množstve menšom než 1 pikogram. Výskumu, vývoju a aplikácii týchto techník využívajúcich najmä lektínové a glykánové biočipy a biosenzory sa venuje Jaroslav Katrlík s kolegami v spolupráci s ďalšími domácimi a zahraničnými pracoviskami.

Zhováral sa Vladimír Ješko.