Chemiczna biblioteka

MARCIN BÓJKO: Otrzymał Pan nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej za stworzenie nowej platformy technologicznej, umożliwiającej otrzymywanie związków biologicznie aktywnych, w szczególności inhibitorów enzymów proteolitycznych. Co to za platforma i czym są enzymy proteolityczne (proteazy)?

PROF. MARCIN DRĄG: Zacznijmy od proteaz. To białka, które są enzymami. Tych proteaz mamy u ludzi około ­600-650. Występują praktycznie w całym naszym organizmie i kontrolują wszystkie procesy życiowe. Dosłownie wszystkie. Jeśli popatrzymy na jakikolwiek proces, jakąkolwiek ścieżkę reakcji w organizmie żywym, to znajdziemy jakąś proteazę. Te proteazy są dla nas użyteczne, ale kiedy zaczynają źle funkcjonować, często prowadzi to do jakiejś choroby. Wtedy my wkraczamy ze swoją technologią. Wykorzystujemy ją, by stworzyć narzędzia chemiczne pozwalające obserwować, co dzieje się z tymi enzymami – czy ich poziom jest wyższy, niższy, czy może są wyłączone, czy może zaczyna się jakieś ich niekontrolowane działanie. Używamy do tego różnych związków chemicznych, m.in. specjalnych markerów, które mogą np. sprawić, że enzym, który się z nim połączy, świeci.

I widzimy to pod mikroskopem?

Tak. Jest mnóstwo metod diagnostycznych, pozwalających wykryć obecność tego markera. Natomiast cała platforma polega na tym, że te proteazy, tnąc białka, tną je na krótkie peptydy składające się z naturalnych aminokwasów. W organizmie człowieka jest ich dwadzieścia. Problemem było to, że kiedy chcieliśmy zrobić marker w oparciu o naturalne aminokwasy, to się to zwykle nie udawało. Takie związki były mało selektywne. Ja wpadłem na pomysł, aby w poszukiwaniu optymalnych struktur rozszerzyć tę paletę o dziesiątki czy nawet setki aminokwasów wytworzonych w laboratorium.

Bo obrazowo mówiąc, na marker z naturalnymi aminokwasami, oprócz badanej proteazy, rzucały się także inne proteazy?

Dokładnie tak. I dlatego zaproponowałem, żeby selektywność uzyskać za pomocą aminokwasów nienaturalnych. Zaczęliśmy tworzyć nasze biblioteki. W pierwszych badaniach udało się uzyskać sekwencje aminokwasowe dziesiątki, setki, a nawet tysiące razy ­lepiej rozpoznawane w porównaniu do tych składających się z naturalnych aminokwasów. Za pomocą tych pierwszych bibliotek zaczęliśmy tworzyć platformę do badania proteaz.

Przeciętnemu człowiekowi biblioteka kojarzy się z księgozbiorem. Jak to jest w przypadku biblioteki chemicznej?

To zbiór uporządkowanych strukturalnie, syntetycznie otrzymanych związków. Trzymamy je w lodówce w temperaturze -80 stopni Celsjusza. Gdy jakaś grupa badawcza przesyła nam proteazę, my wyjmujemy bibliotekę z lodówki, traktujemy przysłanym enzymem i uzyskujemy informacje na temat jego selektywności i aktywności, a następnie na podstawie tego syntetyzujemy optymalną cząsteczkę, która będzie z nim działać. Kolejny etap to dokładniejsze badania biologiczne, zwykle prowadzone przez naszych współpracowników.

Mówiąc obrazowo: tworzycie Państwo cukierki dla proteaz, podrzucacie słodycze, na które są łase?

Właśnie. Im coś słodszego, tym bardziej się do tego garną. Ale dla nas głównym aspektem była selektywność. Czyli udawało nam się stworzyć struktury niezwykle selektywne i na tym polega sukces metody. To spowodowało zainteresowanie firm i ośrodków badawczych.

Trzymając się metafory cukierkowej: byliście w stanie stworzyć słodycze, które smakują tylko jednej, konkretnej proteazie?

Dokładnie tak.

No dobrze, proteaza złapała swój cukierek i co dalej? Skąd wiemy, że łyknęła przynętę?

Jak już się ten cukierek przyklei do proteazy, jesteśmy w stanie to wykryć, zarówno za pomocą standardowych metod biochemicznych, jak i za pomocą mikroskopu, bowiem marker z enzymem tworzą bardzo trwałe wiązanie kowalencyjne. Jeśli marker ma dołączoną grupę fluorescencyjną, to cały taki kompleks się świeci i możemy go wykryć.

A do czego może przydać się takie wykrywanie proteaz na życzenie?

W tej ścieżce badawczej współpracujemy z firmami, które chcą mieć bardzo selektywne markery. Takie badania są bardzo pożądane, bo możemy obserwować aktywność jakiegoś enzymu, dzięki czemu możemy zbadać, w jakie procesy chorobowe jest zaangażowany.

Przykładem takiego enzymu znanego już wiele lat, a który służy do takiej detekcji, jest kalikreina-3. Jeżeli wykryjemy ją we krwi, to możemy powiedzieć, że u pacjenta rozwija się rak prostaty. My w badaniach poszukujemy tego typu związków. A coraz więcej badań mówi, że nie jeden enzym, lecz wiele naraz jest w stanie dać informacje na temat jakiejś choroby. I jeżeli mamy wiele takich proteaz, to trzeba zastosować wieloparametryczną analizę pozwalającą na ich równoległe mierzenie w jednej próbce w tym samym czasie. By móc to robić, niedawno stworzyliśmy całą technologię od podstaw, udało nam się stworzyć cztery markery świecące różnymi kolorami do obrazowania czterech enzymów w neutrofilach (rodzaju białych krwinek).

Wykorzystując to podejście, we współpracy z Uniwersytetem Medycznym w Łodzi, z grupą prof. Wojciecha Młynarskiego staramy się zrobić test, który na podstawie analizy krwi pozwoli sprawdzić, czy dziecko choruje na neutropenię, która objawia się dysfunkcją neutrofili.

Chodzi o badania konkretnego pacjenta, czy badania przesiewowe?

Na razie mówimy o pojedynczych przypadkach, gdy podejrzewana jest konkretna choroba. Ale myśleliśmy również o tym, żeby była to metoda przesiewowa, bowiem zrobienie tych markerów na skalę przemysłową jest tanie. Nieporównywalnie tańsze od innych technologii.

Natomiast kolejnym poziomem zaawansowania w badaniach diagnostycznych jest tzw. cytometria masowa. To najnowocześniejsza obecnie metoda. By ją rozwijać w oparciu o naszą technologię, kupiliśmy ostatnio cytometr masowy do mojego laboratorium – jest to na razie jedyny aparat w Polsce. W oparciu o tę metodę możemy mierzyć więcej niż cztery enzymy – na tyle mniej więcej pozwalała wcześniejsza technologia; teraz możemy mierzyć nawet około 40 enzymów w tym samym czasie, a teoretycznie można monitorować nawet około 120-130 niezależnych parametrów diagnostycznych.

Przygotowanie ­markerów do takiej diagnostyki jest kosztowne?

Cytometr kosztuje milion dolarów. Natomiast jeśli chodzi o same markery, to obecnie stosowane przeciwciała są niebotycznie drogie. To, co my robimy, jest kilka rzędów tańsze. Więc będziemy totalnie konkurencyjni. A najważniejszą zaletą, którą wciąż podkreślam, jest selektywność. Jak dodamy do badanej próbki „koktajl” markerów zrobionych według naszej technologii, mamy pewność, że jeden marker będzie reagował tylko z jedną proteazą.

Jak szybka jest ta metoda? Można ją stosować jako badanie śródoperacyjne w celu rozpoznawania na przykład komórek rakowych?

To zależy, jak szybko będzie przygotowana próbka, ale tak, myślę, że można będzie nawet stosować ją śródoperacyjnie. Niemniej jeśli chodzi o zastosowanie w operacjach, to jest jeszcze jeden bardzo intensywnie rozwijany sposób obrazowania. Specjalizuje się w tym grupa Matthew Bogyo na Stanford University, z którą od wielu lat współpracujemy. Oni przed operacją podają marker, który świeci po reakcji z enzymami w komórkach nowotworowych. Powoduje to, iż taki nowotwór się świeci w czasie operacji, co pozwala na jego selektywne wycięcie. Na Stanford prowadzone są już testy na myszach i świniach z wykorzystaniem tej technologii.

Jakich osiągnięć można się spodziewać po Pańskich badaniach?

Nas interesuje stworzenie diagnostyki dla chorób, w tym cywilizacyjnych. Nowotwory, choroby neurodegradacyjne – alzheimer, parkinson, choć interesują nas też różnego typu infekcje. Pracujemy na enzymach z wirusów całkowicie obcych w Polsce, ale ważnych na świecie, jak denga, mers, sars czy Zika. Badamy też proteazy od pasożytów, by można było szybko diagnozować zakażenia, jak choćby malarię. Analizujemy naszą metodą te ważne medycznie proteazy i jeżeli jesteśmy w stanie stworzyć superselektywne narzędzie do ich badania, to możemy je wykorzystać do badania danej choroby. Moim dalekosiężnym celem jest stworzenie platformy diagnostycznej, czyli kompozycji wielu markerów do równoległego obrazowania.

Można powiedzieć, że jesteście liderem światowej nauki?

W tej technologii, którą tu dysponujemy, z pewnością jesteśmy. Sprawia ona, iż praktycznie każdy, kto ma ciekawy enzym, chce z nami współpracować. Gdy jadę na jakąś konferencję, zwykle kilkanaście osób podchodzi i mówi, że mają interesujące enzymy do zbadania albo że chcieliby, żeby była zrobiona jakaś nowa biblioteka oparta na naszej technologii. Współpracujemy z ponad trzydziestoma grupami akademickimi na świecie. Co chwilę dochodzi ktoś nowy. To przyjemna rola, bo można powiedzieć, iż jesteśmy monopolistą. Dwa lata temu opublikowaliśmy pełny protokół wykorzystania naszej technologii w „Nature Protocols”. Ostatnio spotkałem osobę z doskonałej grupy badawczej z Wielkiej Brytanii, która powiedziała mi, że stworzyli bibliotekę według naszego przepisu i to im rewelacyjnie działa. Gdy nasze badania zaczynają naśladować najlepsze grupy badawcze, jest to dodatkowy komplement pod adresem naszej pracy. ©

PROF. MARCIN DRĄG pracuje na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Jest autorem ponad stu publikacji w prestiżowych czasopismach naukowych, m.in. z grupy „Nature”, oraz dziewięciu patentów. W listopadzie br. otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w obszarze nauk chemicznych.

NAGRODY FUNDACJI NA RZECZ NAUKI POLSKIEJ, zwane zwyczajowo „polskim Noblem”, zostały w tym roku przyznane po raz dwudziesty ósmy. Ich laureatami, obok prof. Drąga, zostali także prof. ­Andrzej Kossakowski (w obszarze nauk matematyczno-fizycznych) i prof. Andrzej Wiśniewski (w obszarze nauk humanistycznych i społecznych). W kolejnych numerach opublikujemy rozmowy z pozostałymi laureatami.

Wywiad ukazał się w dodatku prezentującym sylwetki laureatów Nagrór Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.