Článek
Vědci Martin Marek a Martin Toul z Loschmidtových laboratoří RECETOX Přírodovědecké fakulty MUNI popsali inovativní a zároveň udržitelný způsob, jak svítit. Objasnili mechanismus svícení enzymu luciferázy u mořského žahavce, renily fialové, jenž by mohl v budoucnu rozsvítit naše ulice.
| Luciferáza je obecný název pro některé enzymy umožňující bioluminiscenci živočichů – tj. jev, při kterém živé organismy produkují světlo. Známým příkladem je luciferáza typu Firefly, kterou využívají světlušky. Jako luciferáza a luciferin se označuje jakýkoli pár enzym-substrát, který za přítomnosti ostatních nespecifických reaktantů reaguje za vzniku světla. |
„Studené světlo“
Současná energetická krize lidstvo nutí hledat jiné způsoby svícení, které by byly udržitelné a zároveň nezatěžovaly životní prostředí, připomínají výzkumníci z MUNI v aktuální tiskové zprávě. Inspirací vědcům jsou organismy žijící na dně moří a oceánů se schopností produkce a emise „studeného“ světla, tzv. bioluminiscence.
Brněnští vědci Marek a Toul – 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 desetiletí, avšak až brněnští vědci na ukázkovém organismu, jímž byl mořský korál Renilla reniformis, odhalili jeho molekulární podstatu.
V čínském lese nečekaně nalezli unikátního světélkujícího kovaříka. Pomohl i vědec z Olomouce
„Zdroje naší planety nejsou bezedné,“ upozorňuje Marek. „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,“ doplnil s tím, že jejich objev představuje „svítící revoluci“.
Badatelé konkrétně 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 tzv. 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 jim podařilo svítící enzym zachytit přímo v akci. Ačkoli byla struktura samotného enzymu již zmapována dříve, Marek a Toul pomocí metody rentgenové krystalografie dokázali tuto strukturu monitorovat i v okamžiku navázání luciferinu, jehož následnou chemickou přeměnou se generuje světlo. Právě to jim umožnilo detailně popsat reakci, ke které v enzymu dochází.
Masarykova univerzita zřídí novou funkci školního ombudsmana
Při své práci metodami proteinového inženýrství rovněž zrekonstruovali „předka“ dnešního enzymu luciferázy renily fialové, a tak poodhalili tajemství jeho evoluce z původně nesvítících enzymů.
Podle Toula to byla doslova 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 umožní posouvat nové luciferázy ještě dále a jejich svícení ještě více zefektivnit,“ popsal Toul.
Jak dlouho dokáže enzym svítit bez přerušení?
Nyní však před vědci stojí další výzkumná otázka: jak dlouho dokáže enzym svítit bez přerušení? Doposud v laboratorních podmínkách luciferáza rozsvítila zkumavku na 48 hodin.
„Omezením zůstává naše neznalost, jakým způsobem živé organismy syntetizují energeticky bohatý luciferin. Podobně jako jaderný reaktor potřebuje palivo ve formě obohaceného uranu, tak i luciferázy pro svůj provoz potřebují palivo, a tím je právě onen luciferin. Osvojili jsme si 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,“ nastínil Marek budoucí cesty výzkumu a hledání investorů.
Ve světě se už experti zabývají tím, jak využít bioluminiscenční organismy ke svícení. Zjištění brněnských vědců ve spolupráci s francouzskými kolegy má umožnit přenesení této myšlenky do každodenního života.
Článek o výzkumu byl publikován v odborném časopise Nature Catalysis.
Vila Emila Kolbena se poprvé otevřela veřejnosti. Zažít zde můžete únikovou vzdělávací hru
Může se vám hodit na Firmy.cz: Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity