Cukry nie sú len sladidlá do čaju. V bunkách plnia množstvo dôležitých funkcií a malé zmeny v ich štruktúre môžu zásadne ovplyvniť ich vlastnosti. Pomocou enzýmov sa vedci snažia pripravovať nové typy vzácnych cukrov aj modifikované antibiotiká – ekologickejšie a presnejšie než klasickou chémiou.
Keď sa povie cukor, väčšina z nás si predstaví lyžičku kryštálového cukru na osladenie kávy alebo čaju. Vo vede však cukry znamenajú oveľa viac. Tvoria stavebné prvky buniek, podieľajú sa na komunikácii medzi nimi a neraz sú súčasťou liečiv. Aj malé zmeny v ich štruktúre môžu výrazne ovplyvniť ich vlastnosti a biologické účinky.
Elena Karnišová Potocká vyštudovala analytickú chémiu a biochémiu na Fakulte prírodných vied Univerzity sv. Cyrila a Metoda v Trnave, kde získala bakalársky aj magisterský. Doktorandské štúdium absolvovala na Slovenskej technickej univerzite v Bratislave v spolupráci s Chemickým ústavom SAV, v. v. i., na ktorom od roku 2013 aj pôsobila. Jej výskum sa zameriaval najmä na biokatalýzu, štúdium glykozidáz a enzymatickú prípravu biologicky aktívnych látok. Nateraz pracuje ako postdoktorandka na inštitúte ITQB NOVA v Lisabone v rámci prestížneho programu Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellowship, kde sa venuje riadenej evolúcii enzýmov oxidujúcich sacharidy a ich využitiu pri syntéze vzácnych cukrov a derivátov aminoglykozidových antibiotík. Je autorkou viacerých vedeckých publikácií a aktívne sa zapája aj do popularizácie vedy a práce so študentmi.
Malé veľké zmeny
Zatiaľ čo bežne konzumované cukry sú dobre známe a niekedy sa spájajú aj s metabolickými ochoreniami (cukrovka), drobné úpravy ich chemickej štruktúry môžu viesť k molekulám s inými vlastnosťami. Zostávajú sladké, no organizmus ich nepremieňa na energiu, a preto majú minimálnu kalorickú hodnotu. Zároveň sa ukazuje, že môžu mať aj pozitívne účinky, napríklad protizápalové, protirakovinové či antidiabetické.
Práve príprava takýchto analógov je súčasťou môjho výskumu, ktorý realizujem na Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier (ITQB) na Univerzite NOVA v Lisabone ako držiteľka Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellowship v projekte COxEnzymes – AGs.
To, čo ma na cukroch fascinuje najviac, je ich chemická zložitosť. Jedna molekula obsahuje niekoľko veľmi podobných chemických skupín. Pre chemikov je preto mimoriadne náročné upraviť presne jednu z nich bez toho, aby zasiahli ostatné. Práve tu vstupujú do hry enzýmy.
Molekulárne nástroje prírody
Enzýmy sú bielkoviny, ktoré fungujú ako mimoriadne presné molekulárne nástroje. Dokážu vykonávať chemické reakcie s presnosťou, ktorú je často veľmi ťažké dosiahnuť klasickými chemickými postupmi.
Vo svojom výskume sa zameriavam na skupinu enzýmov nazývaných oxidázy. Tie dokážu zmeniť konkrétnu hydroxylovú skupinu na molekule cukru na presne definovanom mieste. Takáto selektivita umožňuje pripravovať nové typy molekúl, ktoré by sa klasickou chémiou vyrábali veľmi komplikovane.
Výhodou enzýmov je aj to, že pracujú v miernych podmienkach – vo vode, pri izbovej teplote a bez použitia toxických rozpúšťadiel. Aj preto sa biokatalýza považuje za jeden z pilierov udržateľnej chémie budúcnosti.
AI a bioinformatika
Dôležitou súčasťou moderného výskumu enzýmov je už aj bioinformatika. V obrovských databázach genetických sekvencií sa nachádzajú milióny proteínov, ktorých funkciu ešte presne nepoznáme. Na ich skúmanie v súčasnosti vedci využívajú aj nástroje umelej inteligencie, ako je program AlphaFold. Ten dokáže z genetickej sekvencie za pár minút veľmi presne predpovedať štruktúru nového proteínu (ktorej analýza inak trvá mesiace) a zároveň odhadnúť jeho funkciu.
Ak napríklad nájdeme proteín s podobnou štruktúrou aktívneho miesta, ako majú známe enzýmy oxidujúce cukry, môžeme predpokladať, že by mohol vykonávať podobnú reakciu. Potom stačí objednať si syntézu jeho sekvencie, následne otestovať jeho aktivitu a v prípade úspechu ho ďalej vylepšiť.
Evolúcia v skúmavke
V laboratóriu MET (Microbial & Enzyme Technology Lab) pod vedením profesorky Lígie O. Martinsovej využívame metódu nazývanú riadená evolúcia enzýmov. Jej princíp spočíva v tom, že v laboratóriu napodobňujeme prirodzený evolučný proces. Gén pre enzým cielene mutujeme a vytvárame veľké množstvo jeho variantov. Tie následne testujeme a vyberáme také, ktoré pracujú rýchlejšie, presnejšie alebo dokážu reagovať s novými molekulami.
Za rozvoj tejto metódy získala v roku 2018 Nobelovu cenu za chémiu americká vedkyňa Frances H. Arnoldová. Jej práca ukázala, že namiesto zložitého navrhovania enzýmov od základov môžeme využiť evolúciu ako účinný nástroj na ich zlepšovanie. Riadená evolúcia enzýmov sa trochu podobá šľachteniu rastlín. Zo širokej populácie variantov vyberáme tie najlepšie a z nich vytvárame ďalšiu generáciu.
Od enzýmu k vzácnym cukrom…
Výsledkom takejto práce je akýsi enzýmový toolbox, teda súbor enzýmov schopných cielene upravovať rôzne molekuly alebo rôzne pozície na nich.
V mojom projekte sa sústreďujem najmä na dve oblasti. Prvou sú tzv. vzácne cukry. Ide o molekuly, ktoré sa v prírode vyskytujú len v malých množstvách, no svojimi vlastnosťami sú veľmi zaujímavé. Predstavme si napríklad cukor, ktorý chutí sladko podobne ako bežný cukor, dá sa použiť pri pečení, karamelizuje a správa sa v recepte takmer rovnako, no organizmus ho takmer nemetabolizuje, takže má len minimálnu kalorickú hodnotu.
Jedným z takýchto cukrov je allóza, ktorá je predmetom intenzívneho výskumu. Štúdie naznačujú, že má viaceré pozitívne biologické účinky, napríklad protizápalové alebo antioxidačné. Hoci zatiaľ nie je bežne dostupná, jej blízky príbuzný – alulóza – si už získal veľkú popularitu napríklad v Spojených štátoch. Na rozdiel od mnohých umelých sladidiel je to totiž skutočný cukor: pri pečení sa správa podobne ako sacharóza a vytvára typickú chuť aj štruktúru dezertov.
Problém je, že tieto vzácne cukry sa v prírode vyskytujú len v stopových množstvách. Práve preto sa snažíme využiť enzýmy, ktoré ich dokážu pripravovať z bežných cukrov efektívnejšie a ekologickejšie. Náš výskumný tím už v tejto oblasti podal európsky patent a pracuje na tom, aby sa podobné procesy mohli v budúcnosti uplatniť aj v priemyselnej výrobe.
… aj k antibiotikám
Druhou oblasťou sú aminoglykozidové antibiotiká. Patria medzi dôležité liečivá používané pri liečbe bakteriálnych infekcií, no ich účinnosť postupne oslabuje rastúca antimikrobiálna rezistencia. Podľa Svetovej zdravotníckej organizácie patrí antimikrobiálna rezistencia medzi najväčšie zdravotné hrozby 21. storočia. Pomocou enzýmov dokážeme ich štruktúru (ktorá je podobná cukrom) jemne modifikovať a pripravovať nové deriváty, ktoré by mohli obísť mechanizmy rezistencie.
Po enzymatickej reakcii nasleduje purifikácia a detailná charakterizácia produktov. Na syntéze prekurzorov, purifikácii a analýze spolupracujem s tímom profesorky M. Rity Ventury, kde na charakterizáciu využívame hlavne metódu nukleárnej magnetickej rezonancie.
Veda ako tímová práca
Moderný výskum je vždy výsledkom spolupráce. Okrem práce v laboratóriu sa venujem aj vedeniu študentov, ktorí sa zapájajú do experimentov a získavajú svoje prvé skúsenosti s vedeckým výskumom v medzinárodnom prostredí.
Dôležitou súčasťou mojej práce je aj popularizácia vedy. Zúčastňujem sa podujatí, ako sú Európska noc vedy či dni otvorených dverí v ITQB NOVA, kde sa snažíme priblížiť vedecký výskum širšej verejnosti.
A čo ďalej?
Od júna sa vraciam na Chemický ústav SAV, v. v. i., kde plánujem nadviazať na výsledky získané v Lisabone. Jedným z cieľov je rozvíjať ďalšiu spoluprácu medzi CHÚ SAV a ITQB NOVA – od spoločných projektov až po výmenu študentov a mladých vedcov. Takéto medzinárodné prepojenie je v súčasnosti kľúčové pre rozvoj modernej vedy a umožňuje spájať rôzne odborné prístupy pri riešení komplexných vedeckých problémov.
Autorka článku a foto: Elena Karnišová Potocká
ITQB, Universidade NOVA de Lisboa Portugalsko
Viac takýchto článkov a exkluzívneho obsahu môžete získať vďaka predplatnému.
Máte predplatné?
Prihlásiť sa