Revoluce ve svícení. Svítící enzym „luciferáza“ by mohl nahradit elektrické žárovky

V 19. století se Thomas Edison nebál experimentovat a jeho vědecké bádání ho přivedlo k vynálezu žárovky, která způsobila technickou revoluci. Avšak současná energetická krize lidstvo nutí hledat jiné způsoby svícení, které by byly udržitelné a zároveň nezatěžovaly životní prostředí. Inspirací vědcům jsou organismy žijící na dně moří a oceánů se schopností produkce a emise „studeného“ světla, tzv. bioluminiscence. Brněnští vědci Martin Marek, Martin Toul a Andrea Schenkmayerová z Loschmidtových laboratoří, ve spolupráci s dalšími vědeckými kolegy, popsali proces svícení enzymy, tzv. luciferázami, a také detailně vysvětlili jeho mechanismus. O objasnění tohoto procesu se vědci z celého světa pokoušeli poslední čtyři desítky let, avšak až brněnští vědci na ukázkovém organismu, jímž byl mořský korál Renilla reniformis, odhalili jeho molekulární podstatu.

Biolog Martin Marek říká: „Zdroje naší planety nejsou bezedné. Neustále se používají fosilní paliva, která obnovitelná nejsou, a jejich masivní používání má negativní dopady nejen na globální ekosystém, ale též na lidské zdraví. Luminiscenční enzymy by mohly být používány v našich každodenních životech, a nejen v laboratořích, kde se využívají běžně. A právě tím, že jsme detailně zmapovali bioluminiscenční proces na molekulární úrovni, jsme k tomu zase o několik kroků blíže. Při svícení žárovkou se uvolňuje teplo, zatímco luciferázy teplo neuvolňují a dokážou energii velmi efektivně přeměnit na světlo. Náš objev představuje svítící revoluci.“

Brněnští vědci objasnili chemické kroky, které jsou klíčové v procesu bioluminiscence. Ukázali, kam a jak se v molekule enzymu váže energeticky bohatý substrát, tzv. luciferin. Pomocí metod strukturní biologie a spektroskopických měření zmapovali enzymatickou oxidaci luciferinu a jeho přeměnu na energeticky bohatý meziprodukt, po jehož rozpadu a dekarboxylaci dochází k emisi viditelného modrého záblesku. Díky pochopení tohoto procesu nyní vědci umí „ladit“ enzym tak, aby generoval světlo požadované vlnové délky a s cílenou délkou svícení.

Pomocí metody rentgenové krystalografie se vědcům z Loschmidtových laboratoří podařilo svítící enzym zachytit přímo v akci. Ačkoliv byla struktura samotného enzymu již zmapována dříve, Martin Marek, Martin Toul a Andrea Schenkmayerová pomocí metody rentgenové krystalografie dokázali tuto strukturu monitorovat i v okamžiku navázání luciferinu, jehož následnou chemickou přeměnou se generuje světlo. A právě to jim umožnilo detailně popsat reakci, ke které v enzymu dochází. Při své práci metodami proteinového inženýrství též zrekonstruovali předka dnešního enzymu luciferázy renily fialové, a tak poodhalili tajemství jeho evoluce z původně nesvítících enzymů. „Byla to hodinářská práce. Vyvinuli jsme z enzymu několik možných předků a následně jsme je porovnávali. Díky tomu jsme přesněji pochopili, jak se vyvíjeli jeden z druhého a ve kterých aspektech se postupně zdokonalovali až do podoby dnešního enzymu s vysokou intenzitou emise světla. To nám nyní umožní posouvat nové luciferázy ještě dále a jejich svícení ještě více zefektivnit,“ upřesnil Martin Toul proces hledání.

Aktuálně však před vědci stojí další výzkumná otázka a to, jak dlouho dokáže enzym svítit bez přerušení. Doposud v laboratorních podmínkách luciferáza rozsvítila zkumavku na 48 hodin. „Omezením zde zůstává naše neznalost, jakým způsobem živé organismy syntetizují energeticky bohatý luciferin. Tak, jako jaderný reaktor potřebuje palivo ve formě obohaceného uranu, tak i luciferázy pro svůj provoz potřebují palivo, a tím je právě onen luciferin. My jsme si osvojili metody, jak luciferiny syntetizovat chemicky v laboratoři, ale tento proces je pro praktické využití ekonomicky neefektivní. Musíme odhalit biosyntetické dráhy vedoucí ke tvorbě luciferinů a jejich recyklace v buňkách, abychom byli schopni sestrojit geneticky kódovaný a energeticky nezávislý zdroj světla,“ nastiňuje Martin Marek budoucí cesty výzkumu a hledání investorů, kteří by vývoj těchto technologií podpořili.

Ve světě se již vědci zabývají tím, jak využít bioluminiscenční organismy ke svícení, a zjištění brněnských vědců ve spolupráci s francouzskými kolegy umožní přenést tuto myšlenku do každodenního života.

Článek publikovaný v Nature Catalysis. 

RNDr. Martin Toul je studentem Masarykovy univerzity a výzkumník týmu Proteinové inženýrství v Loschmidtových laboratořích, RECETOX, PřF MUNI, pod vedením prof. Zbyňka Prokopa a prof. Jiřího Damborského. V roce 2020 získal Fulbrightovo postgraduální stipendium pro doktorské studenty, díky kterému absolvoval semestr na Texaské univerzitě v Austinu ve skupině prof. Kennetha A. Johnsona.

Ing. RNDr. Martin Marek, Ph.D. vede výzkumnou skupinu Strukturní biologie v Loschmidtových laboratořích, RECETOX, PřF MUNI. Pro svůj projekt „Dekódování molekulárních principů evoluce enzymů“ získal finanční podporu Grantové agentury Masarykovy univerzity (GAMU) v kategorii určenou rizikovým projektům, které mají reálný potenciál posunout hranice svého oboru.

Ing. Andrea Schenkmayerová, Ph.D. pracuje v oblasti strukturní biologie a proteinové inženýrství. V roce 2019 se zúčastnila prestižního vědeckého workshopu pořádaného Univerzitou v Kapském městě a její poster s názvem „Strukturní analýza halogenalkandehalogenázy z podskupiny HLD-III“ byl oceněn jako nejlepší ve své kategorii.