Evolúciós módszerek a fehérjék vizsgálatában

Az ELTE Biokémiai Tanszékén az irányított evolúciós módszerek vizsgálata során áttörést értek el a kutatók a fehérjék tulajdonságainak megismerésében. A felfedezésről a kutatást végző egyik doktorandusz hallgató írt tudományos publikációt.

A fehérjék vizsgálata a biológia kiemelt területe, mivel egyértelművé vált, hogy (a fehérjék) a biológiai folyamatok mindegyikében döntő szerepet töltenek be. Az irányított evolúciós módszerek olyan hatékony eszközt adnak a fehérjék kölcsönhatásait vizsgáló kutatók kezébe, amilyenről korábban álmodni se mertek.

A molekuláris biológiai módszerek fejlődése lehetővé tette, hogy a vizsgált fehérjét kódoló gént célzott módon megváltoztassák a kutatók. Ennek köszönhetően ma már a fehérjék aminosav sorrendje szabadon változtatható. Ezzel megnyílt a lehetőség a mutáns fehérjék előállítására és vizsgálatára, ezáltal a fehérjék működésének minden korábbinál részletesebb megismerésére: kezdetét vette a fehérjemérnökség kora. Hamar kiderült azonban, hogy a lehetséges változatok nagy száma miatt az összes variánst nem lehet előállítani, a fehérjék minden pozíciót érintő teljes feltérképezésének gyakorlati akadályai vannak már egyedi mutánsok vizsgálata esetén is, a mutációk kombinációjáról nem is beszélve.

Az áttörést az irányított evolúciós megközelítés megjelenése jelentette. Az irányított evolúciós módszerek alkalmasak nagy, más molekulákkal kölcsönható felszínek részletes feltérképezésére, vagy akár új funkcióval rendelkező fehérje változatok kifejlesztésére is. Az evolúció működésbe lépésének mindössze néhány alapvető feltétele van: a szaporodás képessége, az öröklődés (az utód hasonlít a szülő(k)re) és a változatosság (az utód nem tökéletes másolata a szülő(k)nek). Azokban a rendszerben, amelyekben a feltételek teljesülnek, evolúciós folyamatok indulnak be abban az esetben, ha az egyedek tulajdonságai befolyásolják azok szaporodási sikerét. Egy ilyen rendszerben a legjobban teljesítők utódainak aránya a következő generációban nagyobb lesz.

Az irányított evolúciós módszerek az élővilág sokféleségét is kialakító evolúciós folyamatokhoz hasonlóan működnek. Működésük a fehérje nagyszámú egyedi mutánsának, a változatosságnak (könyvtár) előállításán és az így létrehozott sokaságból valamilyen meghatározott tulajdonságon alapuló szelekción nyugszik. A kutató dönti el, hogy a fehérje mely részeinek mekkora változatosságát hozza létre, és azt, hogy milyen tulajdonságra szelektál; innen az irányított jelző.

Az irányított evolúciós technikák nagy előnye, hogy a mutáns fehérjéket nem kell egyenként előállítani, tisztítani és vizsgálni. A könyvtárat egyszerű technikák segítségével egy reakcióban állítják elő, gyakran az összes variáns elfér egyetlen kémcsőben. A fehérjéket minden esetben úgy hozzák létre, hogy azok a génjeikkel fizikai kapcsolatban maradnak. A szelekció során a sokaságból kiválaszthatóak azok a fehérje változatok, amelyek teljesítik a szelekciós feltételeket, legyen az egy másik fehérjéhez való kötődés, vagy egy enzim reakció katalizálása. Nagy mennyiségben és tiszta formában előállított mutáns fehérjék tulajdonságainak részletes vizsgálata helyett a szelekció során kiválasztott, adott funkcióra szelektált fehérjéket kódoló gének bázissorrendjének meghatározásával deríthető ki, hogy milyen fehérje változatok alkalmasak a funkció ellátására. A könyvtárkészítés és szelekció során tulajdonképpen egy térben zajlik sok millió egyedi kísérlet, melyeket egyenként képtelenség volna elvégezni.

Természetesen az irányított evolúciós módszereknek is vannak korlátai. A különböző szelekciós eljárások csak bizonyos méretű könyvtárak kezelésére képesek. A gyakorlati korlátokon felül elméleti korlátok is vannak. Például egy 60 aminosavból álló kis fehérje esetében az elméletileg lehetséges variánsok száma 2060. Ez meghaladja az univerzumban létező elemi részecskék számát. Ezért az irányított evolúciós módszerek alkalmazásakor sincs lehetőség a fehérje összes aminosav pozíciójának teljes körű vizsgálatára. Vagy az egyes pozíciókban előforduló aminosavak számát, vagy a vizsgált pozíciók számát korlátok közé kell szorítani.

Ezzel együtt az is elmondható, hogy irányított evolúciós technikák alkalmazásával akár egyetlen kutató rövid idő alatt annyi információhoz juthat, amennyihez klasszikus technikák segítségével egy nagy kutatócsoport többéves munkával jutna. Előállíthatóak adott feladat ellátására alkalmas új fehérjék, nagyobb hatékonyságú vagy megváltozott specifitású enzimek is. Klasszikus mutációs technikák segítségével ilyen bonyolult fehérjemérnöki feladatok megoldása hosszú évek munkáját igénylő, és olykor a lehetetlennel határos küldetés.

A fentiek értelmében kijelenthető, hogy a biológiai folyamatokban döntő szerepet betöltő fehérjék vizsgálatában, és új fehérjék fejlesztésében az irányított evolúciós megközelítés és annak különböző módszerei új dimenziót nyitottak.

 

A véralvadás XII-es faktorának gátlására képes inhibitor molekulák fejlesztését célzó kutatási projekt a TÁMOP 4.2.4.A/1-11-1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlik. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.