Díky kryoelektronové mikroskopii vidí vědci struktury, o kterých neměli ani zdání. Metoda pomáhá třeba při vývoji nových léků

2. únor 2023

Jak vypadají složité molekuly v živých buňkách, můžou vědci sledovat do posledního atomu díky vynálezu kryoelektronového mikroskopu. V něm pozorují vzorky zchlazené na velmi nízkou teplotu bez poškození choulostivých molekul. Trojice vědců za vynález dostala Nobelovu cenu v roce 2017. Jedním z nich byl skotský biofyzik Richard Henderson.

Technologie elektronových mikroskopů se za posledních asi padesát let stala velmi výkonnou. Dnes ale můžete pořizovat snímky vzorků, které by dříve výkonný elektronový paprsek zničil, a přitom z nich získáte atomový model biologické struktury, která vás zajímá.

Kombinovat různé

Byl jste původně fyzik, pak jste se začal zajímat o biologii. Co je pro vás mikroskop: je to nástroj, kterým něco zjišťujete, nebo je samotný přístroj předmětem výzkumu?

Vycházím z oboru fyziky, takže mě samozřejmě zajímají všechny ty technologie. Různé způsoby mikroskopování jsou samy o sobě přitažlivé a krásné. Avšak pracuji také v biologii. Během ceremoniálu Nobelových cen řekl Jacques Dubochet, jak je možné, že tři fyzikové zkoumají biologii a dostanou cenu za chemii? A odpověděl, že to je díky jednotě dnešní vědy. Jinými slovy, musíte znát kousek chemie, kousek biologie, kousek fyziky. Kombinovat disciplíny, abyste mohl zjišťovat nové věci.

Například, když chcete pozorovat biomolekuly ve velkém detailu, musíte vědět, jak je přitom nezničit?

Samozřejmě. Hodně lidí v uplynulých letech prověřovalo možnosti, jak pořídit snímky biologických struktur pomocí světla, rentgenových paprsků, elektronů, neutronů a jiných metod. Ale až donedávna jsme nevěděli, jak je každý z těchto druhů záření relativně poškozuje. Abychom mohli spočítat, jestli bude možné je snímat, aniž bychom je zničili. Světlo samo o sobě je nezničí, ale jeho rozlišení je omezené, zhruba řečeno vlnová délka světla.

Kdežto jiné druhy záření nebo částic, které můžete použít k prozkoumávání hmoty, neutrony, elektrony, rentgen, způsobují poškození. A z těchto tří druhů, když si to spočítáte, s elektrony získáte při srovnatelném poškození nejvíce informací. Ale i s elektrony se ukazuje, že nemůžete z jediného snímku molekuly vyčíst atomovou strukturu. Museli byste mít tisíc snímků, a v každém z nich bude šum. A to všechno vedlo k revoluci, díky které dnes získáváme čtyři až pět tisíc struktur každý rok, a to je kryoelektronová mikroskopie.

Nejdříve propočty

Znamená to, že než jste přístroj sestrojil, nejprve jste si spočítal, jestli bude fungovat?

Čtěte také

Ano, samozřejmě, jsem původně fyzik a intuitivně uvažujeme tímto způsobem. Osobně bych se spokojil i s ne úplně detailním výpočtem. V roce 1993 jsem ale byl ve francouzském Grenoblu na setkání týmů, které budovaly urychlovače, to jsou také zdroje záření: elektronových paprsků, rentgenových paprsků, světla a tak dále. Navrhovali tam rentgenový mikroskop. A nikdo z padesáti lidí, kteří tam kromě mě byli, nevěděl, jaké poškození způsobují rentgenové paprsky v porovnání s ostatními druhy záření.

Já a lidé z mého oboru víme intuitivně, jaká to jsou čísla, a tak jsem si řekl, že by bylo dobré o tom napsat přehledný článek. Napsal jsem to v roce 1995 a ukázal, že elektrony způsobují tisíckrát menší poškození než rentgenové záření. Od té doby se docela dost lidí pustilo do vývoje těchto technologií.

Myslíte si, že to je nejlepší rozvinutí vaší původní myšlenky a nejlepší způsob zobrazování biomolekul?

Ne, musím říci, že těch vynálezů je mnoho. Třeba optická superrozlišovací mikroskopie. Nebo konkrétně ve strukturní biologii vědci používali už před sto lety k analýze rentgenovou krystalografii. Začínali s velmi malými molekulami, ale Linus Pauling zjistil první informace o struktuře proteinů už v padesátých letech. Kroků ke strukturní biologii bylo mnoho a ten, o kterém mluvíme, byl jeden z nejnovějších.

Dopomůže k novým lékům

Můžete uvést příklad, v čem může být tato technologie užitečná?

Jedna z věcí, které zásadně ovlivnila strukturní biologie, je vývoj nových léků. Dnes prakticky veškerý výzkum ve farmacii, ať už jde o nový lék, nový cíl nebo mechanismus, chce znát strukturu, například strukturu cíle uvnitř lidského těla. Obvykle extrahují a izolují molekulu, může to být kupříkladu povrchový protein viru. Nebo třeba adrenalinový receptor v srdci, díky kterému se vám rozbuší srdce, když vás pronásleduje lev. Pak si ale můžete vzít betablokátor, který vám srdce uklidní.

Další příklad je lék, který vám roztáhne průdušky, když máte astma. Hodně léků, které jsou běžně k dostání, bylo navržených pomocí strukturní biologie. V posledních pěti šesti letech většina farmaceutických firem používá kromě rentgenové krystalografie také metodu kryoelektronové mikroskopie. Nevím sice o žádném léku, který by byl vyvinutý konkrétně pomocí této metody. Ale v budoucnu přijdou léky vytvořené pomocí kryoelektronové mikroskopie.

Bez nových metod by zůstala struktura biomolekul neviditelná. Potvrdili nebo vyvrátili jste s ní některé předchozí domněnky, hypotézy?

O mnoha strukturách jsme neměli ani zdání. Nejde o to, že bychom stavěli hypotézy na hlavu, ale otevíráme dveře k něčemu, o čem by se nikomu ani nesnilo. Strukturní biologie běží padesát nebo šedesát let a za tu dobu vědci v databázích nashromáždili dvě stě tisíc struktur, to je hodně. A v lidském genomu je také kolem dvou set tisíc genů, takže známe strukturu, nebo strukturu něčeho, co s tím souvisí, k většině proteinů v biologii člověka.

Čtěte také

Ale k tomu máme stovky nebo tisíce virů a bakterií, které přicházejí. Může to být jen malá kapsa, která se vyvine někde v Africe a nikdo se o ní nedozví. Ale když je dostatečně úspěšná a nakažlivá, máme ji na světové scéně jako nový virus. Potom se na ni musí zaměřit kapacity strukturní biologie. Lidé musí pořád studovat nové biologické struktury, protože živá příroda se vyvíjí.

Stále neumíme všechno

Víte o hranicích kryoelektronové mikroskopie? O něčem, co byste rádi pozorovali, ale víte, že to nejde?

Ano, metody, které máme, nejsou všemocné. Před kryoelektronovou mikroskopií byla hlavní překážka to, že jsme zkoumanou strukturu nemohli krystalizovat, abychom ji mohli zkoumat krystalograficky. Teď sice nemusíme krystalizovat, ale musíme připravit vzorek. A je mnoho molekul, které můžete zkoušet vyčistit, izolovat a udělat z nich tenkou vrstvu, která by se dala vložit do mikroskopu, ale nejde to.

Čtěte také

Mnoho odborníků v oboru se snaží vyvinout nové metody přípravy vzorků, abychom se na ně mohli podívat, aniž bychom je zničili. Spousta lidí vkládá naděje do metody zvané elektronová kryo-tomografie. Přirovnal bych to k počítačové analýze trojrozměrných obrazů, podobně jako když lékaři snímkují nádor na mozku pomocí magnetické rezonance nebo CT, aby viděli, kde je nádor, cévy a kde je možné operovat. Něco podobného je možné udělat v mnohem menším měřítku. Dostanete trojrozměrný obraz částí buněk. Ovšem potřebuje to ještě další vývoj.

autoři: Martin Srb , aka
Spustit audio

Související

Více z pořadu

E-shop Českého rozhlasu

Víte, kde spočívá náš společný ukrytý poklad? Blíž, než si myslíte!

Jan Rosák, moderátor

slovo_nad_zlato.jpg

Slovo nad zlato

Koupit

Víte, jaký vztah mají politici a policisté? Kde se vzalo slovo Vánoce? Za jaké slovo vděčí Turci husitům? Že se mladým paním původně zapalovalo něco úplně jiného než lýtka? Že segedínský guláš nemá se Segedínem nic společného a že známe na den přesně vznik slova dálnice? Takových objevů je plná knížka Slovo nad zlato. Tvoří ji výběr z rozhovorů moderátora Jana Rosáka s dřívějším ředitelem Ústavu pro jazyk český docentem Karlem Olivou, které vysílal Český rozhlas Dvojka.