Egészen új módon vizsgálják az ismert enzimet

Elsőként határozta meg a forgási sebességet egy forgómozgást végző fehérjekomplexben az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont egy munkacsoportja a komplex bármiféle módosítása nélkül, annak természetes környezetében. A váltakozó elektromos tér szinkronizálni tudja az egyes fehérjék forgását, ennek pedig biotechnológiai jelentősége van – derült ki a másfél évtizede folyó kísérletsorozat nyomán - számolt be róla az MTA közleménye.

A biomolekuláris gépezetek bonyolult, motorszerű működésük miatt a biológiai és biofizikai kutatások frontvonalában szerepelnek. Ezek közül is nagy kihívást jelent a kutatók számára az úgynevezett forgó enzimek családja, amelyben bizonyos alegységek forgómozgást végeznek a fehérjekomplex többi alegységéhez képest. Az egyik legismertebb ilyen forgó enzim a sejtek központi energiaforrását, az adenozin-trifoszfátot (ATP) előállító ATP-szintetáz, amelynek vizsgálata során először merült fel a katalitikus forgó enzimműködés (amiért Paul D. Boyer és John E. Walker 1997-ben megosztott kémiai Nobel-díjat kapott).

Az egyik logikus alapkérdés, hogy milyen gyors a forgás, és hogyan függ külső tényezőktől. A kérdés megválaszolása kapcsán mostanáig csak olyan kísérletekről számolt be a szakirodalom, amelyekben a forgó enzimet kiemelték természetes membránkörnyezetéből, és bizonyos részeit genetikailag, kémiailag, sőt legtöbbször mechanikailag is módosították, hogy a forgómozgás mikroszkópban közvetlenül vagy spektrométerben közvetve megfigyelhető és mérhető legyen. Csakhogy ezek a beavatkozások maguk is jelentősen módosítják a forgó enzim működését. Ezért eddig egyik forgó enzim esetében sem volt ismeretünk arról, hogy milyen gyors a forgás egy módosítatlan forgó enzimben, amikor az természetes környezetében van.

Újszerű megoldás
Az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont (MTA SZBK) Biofizikai Intézetének egy munkacsoportja az eddigiektől merőben eltérően közelítette meg a kérdést. Eredményeikről a Nature lapcsoporthoz tartozó Scientific Reports szabad hozzáférésű folyóiratban számoltak be; a tanulmány március 27-én jelent meg. A munkacsoport irányítója Páli Tibor, az MTA doktora, az MTA SZBK tudományos tanácsadója, a Membrán Biofizika Kutatócsoport vezetője volt.

„Az alapötletet az adta, hogy egy-egy adott forgó enzimben nemcsak a forgás és a kémiai reakciók mutatnak periodicitást, hanem minden bizonnyal a töltések mozgása is, mind a szállított, mind a fehérje saját töltései esetében" – mondta Páli Tibor az mta.hu-nak. Tehát ha egy ügyes elrendezésben elektródák segítségével oszcilláló elektromos tér hatásának tesznek ki egy forgó enzimet, akkor annak működésében a változásnak maximálisnak kell lennie akkor, amikor az elektromos tér periódusideje megegyezik az enzim legnagyobb töltésmozgásainak periódusidejével. Amennyiben pedig a működés követése a felhasznált kémiai anyagok változásának mérésével történik, akkor az effektus elvileg mérhető akár természetes membránban is, a forgó enzim bármiféle módosítása nélkül.

A munkacsoport a vizsgálatokat a vakuoláris proton-ATPáz (V-ATPáz) forgó enzimen végezte. Ez azért érdekes, mert bizonyos betegségekben megfigyelték a V-ATPáz normálistól eltérő működését, például daganatok áttétképződése során, csontritkulásban vagy gyomorsavtúltengésben. A V-ATPáz kulcsfontosságú enzim, egy biomembránbeli motorfehérje, ami ATP-t használ, és forgó mechanizmusa révén protont pumpál különféle sejtmembránonokon keresztül. A V-ATPáz minden sejtmaggal rendelkező sejtben előfordul. Fő funkciója a sejtszervecskékben és a sejtek közötti térben a citoplazmáétól eltérő hidrogénion- (proton) koncentráció (vagyis pH) fenntartásához szükséges aktív protontranszport. A mintegy másfél évtizedig tartó kísérletsorozatban a mérési körülmények (membránizolálás, mintaelrendezés, hőmérséklet, alkalmazott feszültség, kémiai anyagok koncentrációja stb.) optimalizálása volt a legnehezebb – számolt be Páli Tibor.

Izgalmas alap- és alkalmazott kutatási kérdések
Az eredményekből az is következik, hogy a hangfrekvenciás oszcilláló elektromos tér képes szinkronizálni a biomembránban azonos irányban álló V-ATPáz enzimek forgását és katalitikus működését. Ez pedig előrevetíti annak lehetőségét, hogy ilyen módon akár kémiai, elektromos és mechanikai oszcillációk idézhetők elő sejtekben is. Továbbá ilyen csatolt oszcillációk külső elektromos tér nélkül, természetes módon is előfordulhatnak. Ezek a következtetések új, izgalmas alapkutatási kérdéseket vetnek fel, de például a biotechnológiai alkalmazással kapcsolatban is új lehetőségek nyílnak.

A kutatócsoport-vezető tájékoztatása szerint a projekt több új irányán is elkezdtek dolgozni az MTA SZBK Biofizikai Intézetének Membrán Biofizika Kutatócsoportjában. Elsősorban továbbra is a V-ATPázzal foglalkoznak, de a cikkben leírt módszerük valószínűleg más ionmozgató enzimek esetén is alkalmazható. Az új irányok közül talán a legérdekesebb, hogy olyan komplex elektromos jeleknek a fehérjékre gyakorolt hatását is tanulmányozzák a hangfrekvenciás frekvenciasávban, mint amilyen például a zenelejátszás közben a hangszóróba, fejhallgatóba, majd onnan a fülünkbe jutó hullámformák. Ezekről az eredményeikről az idén várható újabb közleményük. „Különösen büszke vagyok arra, hogy a munkát az ötlet megszületésétől a kísérleteken és adatkiértékelésen át a publikálásig az MTA SZBK Biofizikai Intézet dolgozóiból szerveződött csapat végezte Szegeden, és a projektet kizárólag hazai pályázatokból finanszíroztuk" – mondta Páli Tibor.

Részletek és animáció az MTA oldalán, a teljes cikkben