Prinesie luciferáza revolúciu vo svietení?

Ako ste sa dostali k výskumu bioluminiscencie?

M: Naša práca nadväzuje na dlhodobý výskum Loschmidtových laboratórií, ktorý vedie profesor Jiří Damborský. Ide o štúdium toho, ako vyzerajú enzýmy. Viac ako 20 rokov táto výskumná skupina študovala skupinu enzýmov nazývanú haloalkán dehalogenázy. Tieto enzýmy nesvietia. No v priebehu času, ako sa kopili informácie z rôznych výskumov genómov, sme si začali uvedomovať, že táto skupina enzýmov sa vo svojej štruktúre veľmi podobá enzýmom, ktorým sa hovorí luciferázy a ktoré svietia. Veľmi nás to fascinovalo a začali sme sa zaoberať tým, ako dve podobne vyzerajúce skupiny enzýmov môžu katalyzovať dve odlišné chemické reakcie.

Prečo ste zvolili práve renilu fialovú?

M: Pretože práve ona nesie vo svojej genetickej výbave gén, ktorý kóduje luciferázu. Ide o pŕhlivca z triedy koralovcov, ktorý obýva dno teplých morí západnej hemisféry. Prípadne ho možno nájsť zahrabaného v piesku, ktorý počas prílivu zaplavuje more. Je veľký v priemere štyri až päť centimetrov. A treba upozorniť, že ide o otvorené zoskupenie vysokošpeciali­zovaných polypov, ktoré sú navzájom prepojené nervovou sieťou. Je jedným z primitívnych mnohobunkových organizmov, k akým patria napríklad aj medúzy. Najvýraznejším prejavom tohto organizmu je práve bioluminiscencia – produkcia studeného svetla.

Foto: Mike Brady

renila fialova Renila fialová.

Prečo svieti?

M: Keď je tento organizmus stimulovaný mechanickým dotykom, reaguje na to tak, že sa po jeho povrchu šíria od miesta dotyku vlny zeleného svetla. A robí to z jednoduchého dôvodu. Aby odstrašil narušiteľa alebo predátora. Pozor! Mňa nejedz, nebol by to dobrý nápad!

A: Mnoho morských, ale aj suchozemských organizmov je bioluminiscenčných. U niektorých organizmov je funkcia známa alebo existuje všeobecne prijaté vysvetlenie. Napríklad svätojánske mušky svetlom lákajú partnerov, ale svetlo pravdepodobne slúži aj ako varovanie pre predátorov. Hríby vraj svetlom lákajú hmyz, ktorý potom roznáša ich spóry. Renila vyžaruje svetlo na základe mechanického podnetu. Jednou z hypotéz je, že vyžarovanie svetla koralovcami by mohlo byť akýmsi alarmom pri napadnutí predátorom. Svetlo by v prvom rade zmiatlo predátora a v druhom by dokázalo prilákať väčšie zviera, ktoré by mohlo tohto predátora zjesť.

Odkiaľ pochádza názov enzýmu – luciferáza?

A: Pojem zaviedol v druhej polovici 19. storočia francúzsky farmakológ Raphaël Dubois. Skúmal bioluminiscenciu a ako prvý vo svojej práci použil slovo luciferáza, ktorá pochádza z latinského lucifer, čo znamená doslovne svetlonos (lux – svetlo a ferre – niesť, pozn. red.). Luciferáza je teda enzým, ktorý vnáša svetlo do tmy a s dnešným významom slova Lucifer, ktoré sa používa na označenie satana alebo toho najvyššieho z čertov, nemá nič spoločné. Je to úplne naopak. Prináša svetlo, nie temnotu.

Aby ste proces svietenia lepšie pochopili, pokúsili ste sa s pomocou proteínového inžinierstva zrekonštruovať predka luciferázy. Svoj postup ste opísali ako veľmi jemnú hodinársku prácu. Podarilo sa vám odhaliť, ako to evolúcia vymyslela?

A: Je pravda, že sme v laboratóriu najprv zrekonštruovali najpravdepodob­nejšieho spoločného predka luciferázy a spomínaných haloalkán dehalogenáz. Tento predok dokázal uskutočniť obe reakcie – výrobu svetla aj dehalogenáciu. My sme však tohto predka podrobili ďalším krokom proteínového inžinierstva, vytvorili sme ďalších mutantov, ktorých sme skúmali rôznymi metódami, aby sme zistili, ktoré časti štruktúry daného proteínu sú dôležité pre jednu alebo druhú reakciu. V súčasnosti vieme, že pre luciferázu je kľúčová schopnosť naviazať substrát, ide o relatívne veľkú molekulu luciferínu. A je dôležité, aby dokázala luciferín dostatočne pevne uchopiť, aby sa z neho energia uvoľnila vo forme svetla a nie tepla.

M: S pokusmi s domnelými predkami, ktoré sme rekonštruovali, sme chceli rekapitulovať to, čo sa podarilo prírode. Totiž z niečoho, čo nesvieti, dokázala urobiť niečo, čo svieti. My sme s pomocou výpočtov načrtli, ako mohli vyzerať starodávne enzýmy, ktoré dnes už na zemi nie sú.

Foto: Archív Martina Mareka

luciferaza Vedci rozlúštili mechanizmus, akým svieti enzým luciferáza.

Edisonova žiarovka je osvedčeným vynálezom. Nastal čas ho nahradiť?

M: Netrúfam si povedať, či luciferázy alebo celkovo bioluminiscencia nahradia žiarovky. Thomas Edison prišiel so svojím konceptom pred 150 rokmi a v posledných rokoch sme prešli k LED osvetleniu, ktoré je úspornejšie. Ale treba si uvedomiť, že elektrina, ktorá sa produkuje za účelom svietenia, sa spolieha najmä na spaľovanie fosílnych palív. Čo má negatívne dôsledky na globálne ekosystémy aj na ľudské zdravie. V tomto svetle sa bioluminiscencia ukazuje ako systém, pri ktorom nevznikajú žiadne škodlivé látky. Luciferázy sú veľmi efektívne, dokážu perfektne premeniť chemickú energiu substrátu na svetlo, neprodukujú vedľajšie teplo, ako to robia klasické žiarovky, ktoré rozohrievajú volfrámové vlákno.

Takže preto sa bioluminiscencii hovorí studené svetlo?

M: Presne tak. Tieto systémy príroda používa po milióny rokov na to, aby generovali svetlo efektívne, bez vedľajšieho tepla. Všetka energia sa spotrebuje len na svetlo. Čo je veľmi pozitívny prínos z hľadiska zmeny klímy, ale aj z hľadiska energetickej krízy, keď platíme stále viac a viac za energie. Príroda už dávno vymyslela, ako si efektívne posvietiť v tme. Množstvo mechanizmov zostáva zahalených tajomstvom, nepoznáme ich. Bioluminiscenčných systémov je celý zástup, nám sa podarilo odhaliť molekulárnu podstatu iba jedného typu.

Naozaj je pravda, že sa vám podarilo rozlúštiť niečo, o čo sa iní vedci usilovali 40 rokov?

A: Áno, sme prví. Aspoň si to myslíme. Ak sa to niekomu podarilo skôr, tak to nebolo doteraz publikované. My sme určite prví, ktorí to publikovali.

Už sa niekde luciferáza používa na svietenie?

A: Enzým je široko využívaný v laboratóriách po celom svete. Funguje ako reportér pre vizualizáciu rôznych procesov na molekulárnej úrovni, ktoré by bolo ťažké bez tohto enzýmu pozorovať alebo zmerať. No keďže nikto nepoznal mechanizmus samotnej reakcie, bolo ťažké si uvedomiť, ako tá chemická reakcia funguje, prípadne, ako by sa dala vylepšiť. Luciferáza sa využíva nielen in vitro, čiže v skúmavke, ale používa sa i v bunkách baktérií či v tkanivách organizmov. Ak sa na základe nášho výskumu podarí vymyslieť lepšie luciferázy, mohlo by to pomôcť širokému spektru rôznych technológií.

Foto: Archív Andrey Smith

Andrea Smith Andrea Smith

Mohli by ste uviesť konkrétne príklady?

M: Bioluminiscencia je ako lampička, ktorou si môžeme na niečo posvietiť v organizme alebo v rastline. V myši môžete rozsvietiť nádorové bunky a sledovať, ako sa nádor šíri v čase. Môžete si označiť vírus a sledovať, kadiaľ sa šíri, kde sa množí. To, čo voľným okom neuvidíte, si môžete s pomocou týchto lampičiek ukázať, posvietiť si na to a sledovať to. Aplikácií je naozaj veľa.

Je to niečo podobné ako fluorescencia?

M: Aj fluorescenčné proteíny možno použiť na podobnú vec. Ale aby tieto svietili, musia pohltiť nejaké množstvo energie, preto ich musíte ožiariť napríklad laserom. Bioluminiscencia je však neinvazívna. Nemusíte ju ožarovať žiadnym laserom.

Foto: Archív Martina Mareka

Martin Marek Martin Marek.

Aká by bola výhoda bioluminiscencie oproti klasickým žiarovkám? Teda okrem toho, že neprodukujú žiadne vedľajšie teplo.

M: Ide o prirodzený systém. Ak luciferázová reakcia spotrebuje substrát, čo je malá organická molekula, ktorá vzniká úplne prirodzene, produktom je iná malá organická molekula. Žiadna toxická látka. Pôvodný luciferín možno veľmi efektívne recyklovať, alebo sa môže metabolizovať, alebo rozložiť. Pozrime sa na jadrovú elektráreň, ktorá vyrába veľkú časť energie potrebnú pre svietenie a všimnime si, že generuje ohromné množstvo jadrového odpadu. Pričom nikto z nás nechce mať za záhradou úložisko tohto odpadu. Produktom luciferázovej reakcie je však neškodná, netoxická látka, ktorá sa dá recyklovať, môže sa rozložiť. Je to jasná výhoda. Ide o prirodzený zdroj svetla, ktorým si organizmy svietia.

Ale ako dlho vydržia bioluminiscenčné systémy svietiť?

M: Už boli skonštruované celoživotné svietiace rastliny alebo stromy. Nejde o také intenzívne svetlo, aké produkujú žiarovky, ale bohato postačuje na rôzne účely. Napríklad na osvetlenie verejných priestorov. Tieto stromy sa môžu vysádzať pozdĺž ciest, aby nahradili pouličné lampy. Vo Francúzsku už sú mestá, kde na pobreží osadili bioluminiscenčné pätníky. Sú naplnené morskou vodou s morskými riasami, ktoré svietia namodro. Bez toho, aby potrebovali zdroj elektriny. Bioluminiscenčné systémy môžu byť alternatívou voči klasickým svetlám, ktoré spotrebúvajú elektrickú energiu.

Čo hovoria na svietiace stromy zákony?

A: Ak by sa mala luciferáza využiť pri výrobe svetielkujúceho stromu, tak by to z pohľadu legislatívy bol geneticky modifikovaný organizmus (GMO). V súčasnosti európska legislatíva nie je voči GMO naklonená a nevyzerá to, že by sa to v blízkej dobe malo zmeniť.

M: Amerika a východná Ázia tomu otvorené sú. Tam tieto aktivity prebiehajú a je otázkou času, kedy aj na starom kontinente dôjde k zmene. Riziko pre životné prostredie je v tomto prípade minimálne. Možno bude energetická kríza tlačiť na najvyšších úrovniach na legislatívu, aby sa zmenil prístup.

Naznačujete, že bioluminiscenčné systémy by nám mohli poskytnúť doživotný zdroj svetla, ktorý by nebolo treba nabíjať?

M: Presne tak. A zároveň je to paradox. Rastliny vznikli preto, aby sa živili svetlom. Spotrebúvajú svetlo, fotosyntetizujú a ukladajú uhlík do molekúl. My však s pomocou nových metód dokážeme implementovať do rastlín systémy, ktoré svetlo produkujú. Ako ste povedali – dokážeme skonštruovať doživotne svietiace rastliny a doživotne svietiace stromy.

Čítajte viac Ľudstvo mení noc na deň. Za akú cenu?

Ale neubližuje to nakoniec rastlinám? Sú výskumy, ktoré dokazujú, že stromy v blízkosti nielen pouličného osvetlenia umierajú. Podobne ako aj iné organizmy to má pre ne vážne dôsledky, ak im umelý zdroj svetla narúša cirkadiánny rytmus, ktorý je založený na prirodzenom striedaní dňa a noci.

M: To je super otázka pre vedcov. Je zaujímavé, že bioluminiscencia sa vyvinula u veľmi veľa rôznych typov organizmov. Máme svietiace huby, hmyz, v roku 2021 bol dokonca objavený prvý svietiaci stavovec – žralok. Produkciu svetla reguluje hormonálne, má sofistikované lampičky, ktorými si dokáže posvietiť na korisť. Keď sa nad tým zamyslíte, nie je to ďaleko k človeku. Ale u rastlín je to fenomén. Do nich príroda žiaden bioluminiscenčný systém nevložila. Možno je to z dôvodov, ktoré ste načrtli. Ľudia to menia. Vytvárajú perpetum mobile. Rastlina sa svetlom živí a zároveň ho môže produkovať. Experimenty ukázali, že to funguje. V Amerike sú už firmy, ktoré predávajú svietiace petúnie do záhrady. Vedecký svet sa čudoval, že to môže fungovať.

A aký bioluminiscenčný systém využili?

M: Spôsob, akým svietia huby. Funguje to, aj keď to na prvý pohľad vyzerá bizarne.

Foto: Brady

svietiace huby, bioluminiscencia, huby Svetielkujúce huby sa už využívajú pri pestovaní svietiacich stromov. Môžu nahradiť pouličné osvetlenie.

Ako bude váš výskum ďalej pokračovať?

M: Metódami proteínového inžinierstva sa nám podarilo odhaliť molekulárnu podstatu, ako sa generuje svetlo. Vďaka týmto poznatkom vieme ladiť emisiu svetla a tiež farbu. Takže dokážeme do enzýmu cielene zasiahnuť tak, aby vyžaroval nie typické modré svetlo, ale aby bolo zelené. Vidíme priestor, aby sa dalo pokryť celé spektrum. Ale v morskom type bioluminiscencie nám stále chýba kľúčová vec.

Aká?

M: Ako zabezpečiť samovýrobu paliva pre luciferázu. Toto je zatiaľ limitujúci krok, aby sme dokázali tento morský systém používať na súši. Tomuto by sme sa chceli venovať v budúcnosti. Spoznať, ako si morské organizmy dokážu vyrábať palivo samy a ako ho dokážu recyklovať. V porovnaní s luminiscenciou húb má totiž morská bioluminiscencia veľa výhod. Svieti oveľa intenzívnejšie, je výkonnejšia. Ale musíme zabezpečiť kontinuálny prívod paliva, tak ako to dokážu organizmy. Toto sú hlavné smery, ktoré nás zatiaľ limitujú, aby sa tieto technológie dokázali aplikovať vo väčšom meradle.