Įsivaizduokite miestą, kuriame reikia labai daug dalykų transportuoti. Vienoje vietoje prekė pagaminama – kitoje vietoje jos reikia. Mieste prekes gabena sunkvežimiai. Ląstelės taip pat yra kaip didelis judrus mikroskopinis miestas, kuriame transportuojamos viduląstelinės pūslelės su baltymais, hormonais, neurotransmiteriais ir pan. Tik čia transportavimo funkciją atlieka molekuliniai motorai, kurių kiekvienoje mūsų ląstelėje yra tūkstančiai. „Jei mieste kiekvieną automobilį vairuoja žmogus, jis turi vairuotojo pažymėjimą, jis laikosi kelių eismo taisyklių, jis žino, kokį krovinį veža ir kur jį reikia pristatyti. O kas „vairuoja“ molekulinius motorus?“, – klausia biochemikas ir biofizikas dr. Algirdas Toleikis, kuris tyrinėja, kas vyksta tuose mūsų mikroskopiniuose miestuose.
Dr. A. Toleikis Lietuvoje savo laboratoriją įkūrė prieš keletą metų – po devynių mokslinės karjeros metų Jungtinėje Karalystėje, kur išvyko, laimėjęs prestižinę „Wellcome Trust“ stipendiją. Nors trumpam buvo įsidarbinęs programuotoju, į mokslą grįžo su Europos molekulinės biologijos organizacijos (EMBO) dotacija steigti savo laboratorijai.
Ilgus metus tyrinėjęs, kas „vairuoja“ tuos molekulinius motorus, dabar dr. A. Toleikis bando suprasti, kaip veikia DNR motorai, kurie ateityje, tam tikrais atvejais, gali būti efektyvesni nei genų žirklės. Apie tai su dr. A. Toleikiu pasikalbėjome jo darbo vietoje – Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre (VU GMC).
„Kinezinas yra vienas geriausiai atpažįstamų molekulinių motorų. Jis buvo vienas iš pirmųjų atrastų – prieš beveik 40 metų. Tai dar yra ir įdomi istorija! Kineziną, dar būdamas studentu, atrado amerikiečių biochemikas dr. Ronald‘as Vale’as. Jo vadovas iš aštuonkojo čiuptuvų bandė išgryninti molekulinius motorus, bet jam tai nepavyko ir eksperimentą paliko. R. Vale’as atėjęs padarė dar vieną eksperimentą ir pamatė, kad kažkas po mikroskopu juda. Pasirodo, tai buvo kinezinas.”, – pokalbį pradeda mokslininkas.
Vaizdo įrašas, kuriame Ronald‘as Vale’as pasakoja apie kineziną:
UC San Francisco (UCSF) „What is Kinesin? Ron Vale Explains“ (publikuota „Youtube“ 2018 04 03)
– Kaip suprantu, kinezinas yra geriausiai ištyrinėtas molekulinis motoras?
– Molekulinių motorų yra labai daug – daug skirtingų šeimų, kurias sudaro skirtingi molekuliniai motorai. Vienoje ląstelėje jų yra tūkstančiai.
Norint juos geriau suprasti, kaip modelį reikia pasiimti vieną molekulinį motorą. Dažniausiai juo pasirenkamas geriausiai ištyrinėtas motoras – kaip kinezinas, bet vien kinezinų yra 15 šeimų, kiekvienoje šeimoje yra pošeimių ir t.t. Tikrai daug! Bet dažniausiai tyrinėjamas vienas – jis geriau pažįstamas, gerai elgiasi, kaip koks gyvūnėlis (juokiasi).
– Jūsų podoktorantūros studijos buvo skirtos kinezino tyrimams. Ką bandėte sužinoti? Ir ką sužinojote?
– Taip, podoktorantūrai pasirinkau Voriko universitetą (angl. University of Warwick). Man buvo labai įdomu pasižiūrėti, kaip veikia kinezinai.
Įsivaizduokite miestą. Jame reikia labai daug dalykų transportuoti. Vienoje vietoje prekė pagaminama – kitoje vietoje jos reikia. Mieste prekes gabena sunkvežimiai. Ląstelės yra kaip didelis ir judrus miestas, tačiau mikroskopinis – čia transportuojamos viduląstelinės pūslelės su baltymais, hormonais, neurotransmiteriais ir pan. Molekulinių motorų taip pat yra visokių – jei kinezinai yra sunkvežimiai, kiti motorai yra ir traktoriai, ir keleivinės mašinos.
Yra labai gražių vaizdo įrašų, kuriuose parodoma, kaip molekuliniai motorai ląstelėje transportuoja baltymus, naudojant specialias švytinčias medžiagas. Atrodo taip, tarsi skristum lėktuvu virš miesto naktį.
Vaizdo įrašas apie ląstelių „miestą“:
Nikon Instruments Inc. „2017 Nikon Small World in Motion Competition - Honorable Mention“ (publikuota „Youtube“ 2017 09 21)
Kas man buvo įdomiausia – jei mieste kiekvieną automobilį vairuoja žmogus, jis turi vairuotojo pažymėjimą, jis laikosi kelių eismo taisyklių, jis žino, kokį krovinį veža ir kur jį reikia pristatyti. O kas „vairuoja“ molekulinius motorus? Iš kur tie kinezinai viską žino? Kaip jie viską moka?
– O yra bent pasvarstymų, kas reguliuoja tą transportavimo procesą? Kitaip tariant, kas „vairuoja“ kinezinus, pavyzdžiui?
– Tai yra labai kompleksiškas klausimas. Bet, manau, reikėtų pradėti nuo to, kad pradžioje net nežinojome, kaip kinezinas juda. Dabar jau turime ir sukurtų vaizdo įrašų, kuriuose matome, kad kinezinas tarsi eina – koja už kojos. Bet tam nustatyti juk buvo atlikta labai daug tyrimų. Ir vis vien 100 proc. nesame tikri.
Aš norėjau išsiaiškinti, kaip kinezinas eina. Jau buvo žinoma, kad kinezinas kartais eina ir atgal. Tad 2–3 metus nagrinėjau, kaip “eina” kinezinas, ką jis daro, kai sustoja, kai nebegali eiti, kaip pas jį veikia „atbulinės eigos pavara“. Pavyzdžiui, kai mes einame atgal, galime tai daryti keliais būdais – atliekame tarsi veidrodinį veiksmą ėjimui į priekį arba apsisukame ir tiesiog einame atgal. O kaip atgal eina kinezinai nebuvo aišku. Ką mes parodėme – kinezinai eina kaip Michaelas Jacksonas per savo firminį „mėnulio eisenos“ (angl. moonwalk) šokį (juokiasi). Tai jie tarsi slysta ar čiuožia atgal.
– Kaip mokslininkai sužino, kad kinezinas šliaužia, o ne kelia savo „kojytes“?
– Daug stebėjimų atlikome, naudodami metodą, kuris vadinasi optiniai pincetai ir su kuriuo galime „pagauti“ vieną kinezino molekulę. Už jų sukūrimą ir pritaikymą molekuliniams motorams tirti, beje, 2018 m. Arthur’ui Ashkin’ui buvo skirta Nobelio premija fizikos srityje. Tai reiškia, kad į kineziną švieti stipriai sukoncentruotu optiniu lazeriu, kinezinas prijungtas prie mažo polistireninio burbuliuko, kurį gali naudoti kaip rankenėlę ir patempti kineziną bei stebėti jo veikimą realiu laiku. Kitaip tariant, optiniu pincetu galime valdyti kineziną.
Tai darydamas praleidau daug valandų, stebėjau daug tūkstančių žingsnių. Kada kinezinas eina, kiek ir kada jį reikia patempti, kada jis sustotų, kada paeitų atgal ar nukristų visiškai ir t.t. Iš tų duomenų supratome, kad iškrenta visos kitos hipotezės, logiška buvo tik tai, kad jis atgal ne eina, o slysta.
Art of the Cell „John-Liebler-Kinesin-Protein-Walking“
– Kas yra kinezinų krovinyje?
– Gali būti baltymai, hormonai, neurotransmiteriai ir pan. Tas transportavimas vyksta praktiškai kiekvienoje žmogaus ląstelėje. Bet intensyviausias veiksmas yra smegenų ląstelėse – neuronuose. Pavyzdžiui, yra motoriniai neuronai – jų ilgis gali būti iki metro. Pati ląstelė labai maža, bet neurono atauga – aksonas – gali tęstis nuo nugaros smegenų iki pirštų galiukų. Čia yra vienos ląstelės atauga. Įsivaizduokite, ataugos pabaigoje reikalingas baltymas ar neurotransmiteris, kuris pagaminamas ląstelės kūne nugaros smegenyse. Kinezinui ši kelionė trunka apie dvi savaites. Bet jei kinezino nebūtų, reikalingas baltymas pasyvios difuzijos būdu ten niekada neatsidurtų.
– Ar molekulinių motorų krovinį gali pakeisti žmogus? Pavyzdžiui, naudojant genų inžineriją?
– Čia jau galėtų būti ateities technologijos. Mums dabar reikia suprasti, kaip kinezinai ir kiti molekuliniai motorai veikia, kaip sutaisyti juos, jei neveikia. Pavyzdžiui, jei kinezinai sugenda, žmogus suserga neurodegeneracine liga, kaip šoninė amiotrofinė sklerozė (ŠAS), molekulinis transportas netgi susijęs su Alzheimeriu ir t.t. Vadinasi, supratę, kodėl ląstelėje neveikia molekulinis transportas, iš principo, galėtume jį sutaisyti ir išgydyti ligą. Kol kas tokio gydymo nėra, bet ateityje tai įmanoma. Tikiu, kad jau net už kokių 20 metų.
Be to, geriau supratę, tikriausiai rastume ir daugiau panaudojimo galimybių inovatyvioje medicinoje. Nebūtinai ten, kur reikia kinezinus taisyti. Pavyzdžiui, transportuoti vaistus į tam tikrą ląstelės vietą.
– Lietuvoje pradėjote naują kryptį – DNR motorų tyrimus. Papasakokite, kas tai?
– Jei kinezinai yra miesto krovinių transportas, DNR motorai yra kaip statybų aikštelėse esančios mašinos – tarsi buldozeriai. DNR motorams irgi reikia energijos, jie irgi juda, tik ne taip, kaip kinezinai, o jie dažniausiai juda kaip kirmėlė.
Juos mums reikia suprasti, nes jie atlieka daug svarbių funkcijų, susijusių su DNR. Pavyzdžiui, kai ląstelei dalijantis kopijuoji DNR, pirmiausia DNR reikia išvynioti, nes ji susideda iš dviejų grandinių. Tik tada galima kopijuoti informaciją. Išvyniojimą, išskyrimą atlieka DNR motorai – helikazės. Supratę juos, žinotume, kaip vyksta vienas iš svarbiausių ląstelės procesų – DNR kopijavimas. Juos galėtume pritaikyti ir genų redagavimui. Jei prie DNR motoro prikabintume, taip pavadinkime, šienapjovę – kuri „nušienautų“ nereikalingas DNR dalis, net dideles. Galima net užprogramuoti DNR motorą, kad jis veiktų tik konkrečioje vietoje.
DNR motorų judėjimo simuliacija:
protein-mechanics-function „DNA unzipping by hepatitis C virus helicase protein motor“ (publikuota „Youtube“ 2019 07 10)
– DNR motorų tyrimų vystymui prieš keletą metų Jums buvo suteikta finansinė parama „EMBO Installation Grant“ (EMBO – Europos molekulinės biologijos organizacija, angl. European Molecular Biology Organization) – jį gavote pirmasis Lietuvoje.
– Taip, gavau finansavimą įkurti savo nepriklausomą tyrimų grupę, kurios pagrindinis fokusas – DNR motorų tyrimai. Bandysime ne tik juos geriau suprasti, bet ir surasti, kaip juos galima pritaikyti genomų redagavimo srityje. Vadinasi, kaip galime panaudoti ne genų redagavimo žirkles, o būtent DNR motorus, dar vadinamus DNR smulkintuvais (angl. DNA shredder).
Genų redagavimo žirklės turi vieną didelį trūkumą – jomis galima iškirpti vieną raidelę ar kelias iš tos DNR sekos. Bet jei tau reikia iškirpti vieną geną arba didelį genomo fragmentą – žirklių neužteks, reikia DNR smulkintuvo. Tai labai reikalinga, kai norime arba genus išjungti, jei jie sukelia ligą ir nėra būtini, arba – jei norime suprasti, ką daro tam tikros genomo vietos. Šį DNR smulkintuvą mes ir tiriame. Jau nusipirkome pagrindinius reagentus, įrangą, o mikroskopus konstruojame ir patys.
– Kurį laiką buvote apleidęs mokslą – dirbote IT įmonėje programuotoju. Tačiau sugrįžote. Kodėl nutarėte apleisti mokslininko profesiją, prie kurios galiausiai grįžote?
– Kai nusprendžiau, kad noriu sugrįžti į Lietuvą, jau baiginėjau podoktorantūrines studijas. Galvojau, ką daryti… Kaip ir kiekvienas mokslininkas šiame etape, tarsi priėjau liepto galą - arba bandai gauti finansavimą savo laboratorijai, arba ieškai kitų podoktorantūrinių studijų, kas tau tikrai nepadeda ir tik apsunkina finansavimo pritraukimą, arba darai kažką kito.
Statistiškai, pagal Jungtinės Karalystės „Royal Society“ duomenis, tik apie 1 proc. doktorantūros studijas baigusių žmonių įsteigia savo laboratorijas. O tai yra labai didelė konkurencija, kuri tikrai ne kiekvienam patinka. Net įsteigęs laboratoriją nuolat turi konkuruoti dėl finansavimo. Taip pat ne visiems patinka faktas, kad laboratorijos vadovas iš mokslininko tampa labiau vadybininku.
Man irgi reikėjo pertraukos, norėjau gerai pagalvoti, išgryninti idėjas, nesinorėjo tiesiog pasyviai kažkur eiti. Kaip tik tada man viena IT įmonė pasiūlė darbą, nes vienoje programavimo mokykloje lankiau kursus. Man labai patinka programuoti, to labai daug reikia ir moksliniame darbe. Taigi norėjau pasimokyti geriau programuoti, bet gavau darbą Lietuvoje (juokiasi). Tai buvo avantiūra, kuri galiausiai pasirodė, kad buvo labai geras sprendimas.
Mokiausi iš profesionalių programuotojų, vienoje rimčiausių kompanijų Lietuvoje – išmokau dalykų, kurių akademijoje niekada nebūčiau išmokęs. Kas versle yra absoliuti norma, akademijoje gali būti visiškai nežinoma (juokiasi). Dabar galiu į laboratoriją atnešti visai kitokius industrinius standartus ir principus tiek programavime, tiek projektų valdyme. Juos bandau įdiegti ir savo laboratorijoje. Taigi ištrūkti iš akademinio burbulo man buvo labai naudinga.
– Jūsų vyresnis brolis Zigmantas ir sesė Gabija taip pat yra mokslininkai. Gabija jau net tapo rašytoja, knygos „Kodėl, po velnių, negaliu pasikeisti?“ autorė. Ar jie padarė įtaką tam, kad ir jūs tapote mokslininku?
– Visada vyresni broliai ir sesės daro įtaką. Mačiau Zigmanto ir Gabijos akademinius pasirinkimus. O juk aš irgi negaliu atsilikti! (juokiasi) Taigi tikrai stengiausi neatsilikti.
Gabija doktorantūros studijas baigė Jungtinėje Karalystėje, nes gavo „Wellcome Trust“ stipendiją, kuri ten yra viena iš prestižiškiausių stipendijų. Kai po bakalauro studijų svarsčiau, ką daryti toliau, pagalvojau – hmm, jei gavo Gabija, juk ir aš galiu (juokiasi). Jungtinėje Karalystėje gali „prašokti“ magistro studijas ir stoti tiesiai į doktorantūrą. Taigi „Wellcome Trust“ gavau ir aš. Tačiau galbūt net nebūčiau pagalvojęs apie tą stipendiją, jei ne sesuo.
– Ką savo darbe labiausiai mėgstate dabar?
– Labai mėgstu programuoti, konstruoti mokslinius instrumentus. Dabar patys galime susikonstruoti mikroskopą, kuris veikia! Jei gerai padarai, niekas kitas pasaulyje tokio mikroskopo neturi. Galbūt net yra specifinių klausimų, į kuriuos atsakymus galime sužinoti tik naudodami tą mūsų sukonstruotą mikroskopą. Kadangi kiti jo neturi, ir atsakymų nesužinos, kuriuos galime sužinoti mes.
Labai patinka dirbti su studentais. Ypač kai jie tokie žingeidūs ir darbštūs. Gali perduoti savo žinias, matai, kaip žmogus tobulėja, matai jo kelią.
– Ačiū už atsakymus!
– Ačiū Jums.