Jej veličenstvo bunka je opäť menej záhadná. Tohtoroční držitelia Nobelovej ceny za chémiu Američania Peter Agre a Roderick MacKinnon prispeli k jej lepšiemu poznaniu priekopníckymi prácami, odhaľujúcimi detaily fungovania vodných a iónových kanálikov. Bunka ich s pomocou zložitých bielkovín otvára v svojej elastickej membránovej stene, a tým umožňuje nielen vnútornú látkovú výmenu, ale aj prenos signálov napríklad medzi nervovými alebo svalovými bunkami.
Je membrána naozaj nepriepustná?
Už v 18. storočí vedci tušili, že v bunkovej membráne, ktorá oddeľuje bunku od okolia a chráni ju (asi tak, ako koža naše telo), musia existovať mikroskopické otvory, ktoré by umožňovali látkovú výmenu. Tenká, ale pevná dvojvrstvová tuková membrána neprepúšťa väčšinu látok, dôležitých pre výživu bunky, ani jej neumožňuje zbaviť sa odpadu. Funkciu „vrátnika“ plnia zložité bielkoviny, ktoré tieto látky buď priamo vpúšťajú a vypúšťajú (takto fungujú napríklad transportéry pre glukózu), alebo vytvárajú miniatúrne kanáliky pre vodu a elektricky nabité častice, ióny. Dôležitosť týchto kanálikov vynikne na pozadí jednoduchej matematiky: Ľudské telo sa skladá v 70-ich percentách zo slanej vody.
V roku 1890 o bunkových póroch písal nemecký chemik Wilhelm Ostwald. Súčasne prišiel aj s myšlienkou prenosu elektrochemických signálov medzi bunkami, za čo získal v roku 1909 Nobelovu cenu.
O polstoročie neskôr demonštrovali britskí vedci Alan Hodgkin a Andrew Huxley mechanizmus transportu sodíkových iónov v membránach nervových buniek, ale až v roku 1988 identifikoval Agre bielkovinu nazvanú aquaporín-1, zodpovednú za vytváranie vodných kanálikov. To zásadne zmenilo pohľad na bunkovú membránu. Doteraz vedci našli jedenásť týchto bielkovín. Zistili tiež, že ich poznanie môže mať významné medicínske použitie. Napríklad zablokovanie aquaporínov by mohlo znížiť škodlivé následky po mozgovej príhode.
Desať rokov hľadania
Štúdiom štruktúry a funkcií iónových kanálikov sa zaoberal MacKinnon a jeho tím z Rockefellerovej univerzity v New Yorku od roku 1988. Redaktori časopisu New Scientist si tipli MacKinnona ako kandidáta na Nobelovu cenu za chémiu už v roku 2002 aj napriek skutočnosti, že Američan sa ešte ani neblíži veku, keď sa „nobelovky“ získavajú.
MacKinnonov tím však odviedol naozaj heroickú prácu. Desať rokov lúštil záhadu, ako fungujú bunkové draslíkové kanáliky. Nebolo totiž jasné, prečo bunka „prehltne“ za sekundu milióny draslíkových, ale iba tisícky sodíkových iónov, a ako dokáže tento prísun regulovať. Bez nerovnováhy draslíka a sodíka na bunkovej membráne (teda vlastne bez elektrického napätia) by mozgové neuróny nemohli prenášať signály a srdce by nemohlo biť v rovnakom rytme.
Najskôr vedcom pomohlo sekvenovanie DNA a zistenie, ktoré bielkoviny tvoria draslíkový kanálik u ovocnej mušky drozofily. Sekvenciu urobili Yuh Nung Jan a Lily Jan z University of California v San Franciscu. Ale ani s touto znalosťou nebolo oveľa jasnejšie, akú štruktúru kanáliky majú a ako vlastne fungujú. MacKinnonov tím musel urobiť ohromné množstvo ďalších pokusov s baktériou Streptomyces lividans. V záverečnej fáze, keď z nej vedci získali čistý kryštalický proteín, formujúci kanálik, pomohla odhaliť jeho štruktúru röntgenová kryštalografia.
Desať rokov po objave Agreho MacKinnonov tím nakoniec predsa len objavil a opísal trojrozmernú štruktúru kanálikov, ktoré bunke dovoľujú kontrolovať príjem draslíkových iónov. Vedci identifikovali aminokyseliny, ktoré formujú supercitlivý „filter“ a ktorý umožňuje prepúšťať len tie ióny, ktoré práve potrebuje.
Prínos pre medicínu
Pri poruchách funkcie kanálikov, či už vrodených, alebo získaných, vzniká ťažká svalová slabosť (myastenia gravis) alebo cystická fibróza. Práce Agreho a MacKinnona, prinášajúce zásadne nové poznanie bunky, by preto mohli umožniť aj účinnejšiu liečbu niektorých chorôb.
Zvlášť dôležité z tohto hľadiska sú podľa MacKinnona dva iónové kanáliky. Prvým je kanálik KATP v beta-bunkách pankreasu, vylučujúcich inzulín. Druhý, HERG, pomáha srdcovému svalu dobíjať energiu. Lieky regulujúce aktivitu týchto kanálikov by sa mohli uplatniť pri liečbe cukrovky alebo pri prevencii syndrómu náhlej smrti novorodencov.
Okrem toho poznanie mechanizmu, ktorým sa voda a soľné látky dopravujú do buniek a ktorým ich bunky vylučujú, umožňuje lepšie pochopiť, ako vznikajú choroby obličiek, srdca, svalov a nervového systému. Počas ľudského života nastávajú v kanálikoch zmeny, a tie začnú prepúšťať viac alebo menej látok, ktoré bunka potrebuje. Jednou z príčin Alzheimerovej choroby môže byť aj nadmerné otváranie kanálikov pre vápnik, ktorý bunka potrebuje, ale keď ho dostáva veľa, zomiera. Aj vysoký krvný tlak alebo epilepsia by sa dali ovplyvniť chemickou kontrolou fungovania membránových kanálikov. To je však zatiaľ hudba budúcnosti.
Vzrušujúce objavy
Odhaľovanie funkcií bunky je pre mnohých vedcov vzrušujúcim príbehom, ktorý sa určite tak skoro neskončí. Nedávno vyhlásil nositeľ Nobelovej ceny, skvelý genetik Sydney Brenner, že najdôležitejšou úlohou molekulárnej biológie súčasnosti je pochopiť, ako sa bunky medzi sebou dorozumievajú. Mohlo by to znamenať aj pokrok v nájdení odpovede na otázku, prečo jedna bunka prestane reagovať na signály iných buniek, „vypne“ si receptory, začne sa nekontrolovane množiť a vytvárať zhubný nádor.
Objavy Agreho a MacKinnona posúvajú bunku ešte bližšie k predstave fantastického miniatúrneho molekulárneho mechanizmu, ktorý funguje ako zložitý a presne nastavený stroj. Na rozdiel od stroja však nemá svojho konštruktéra. Jeho pôvod možno vystopovať v miliardách rokov trvajúcej evolúcii. Nekonečný príbeh bunky pokračuje.
Kto sú nositelia Nobelovej ceny za chémiu
Peter Agre (1949) sa narodil v Northfielde (Minnesota). Vyštudoval na Johns Hopkins University School of Medicine (Baltimore), kde dnes prednáša ako profesor. Je členom Hopkinsovho inštitútu pre základný biomedicínsky výskum. V roku 1988 objavil prvú bielkovinu, tvoriacu kanáliky v bunkovej membráne (aquaporín-1). Tieto kanáliky zásobujú bunku vodou a umožňujú jej zbavovať sa odpadov. Dnes vedci poznajú 11 aquaporínov. Peter Agre je americkým občanom.
Roderick MacKinnon (1956) pochádza z Burlingtonu pri Bostone. Doktorom medicíny sa stal v roku 1982 na Tufts Medical School v Bostone. Je profesorom molekulárnej neurobiológie a biofyziky na Rockefellerovej univerzite v New Yorku a členom Medicínskeho inštitútu Howarda Hughesa na tej istej univerzite. Jeho výskum iontových kanálikov prináša okrem nového poznania fungovania bunkovej membrány aj pokrok v lekárstve. Po tom, čo mu jeho asistent zavolal, že získal Nobelovu cenu, povedal: „To musí byť chyba.“ MacKinnon je americkým občanom.
