W drugiej części wpisu chciałbym napisać o badaniach Kathryn Kavanagh nad paliczkami w łapach ptaków. Problem w tym, że niewiele o tych badaniach wiem, bo nie wyszedł jeszcze żaden artykuł na ich temat. To, co zamierzam napisać, usłyszałem z drugiej ręki, na wykładzie prof. Uriego Alona (lokalnej sławy izraelskiego Instytutu Weizmanna), który wrócił niedawno z dwuletniego urlopu naukowego w Bostonie, gdzie zapoznał się z Kathryn i jej pracą. Alon mówił tylko o niektórych aspektach tych badań, co więcej, nie wszystko w tym wykładzie było dla mnie jasne, więc musiałem dodać trochę swojej interpretacji. Przestrzegam więc, żeby nie traktować tego wpisu zbyt serio.
Ale najpierw krótka powtórka z ostatniego wpisu. Na rozwój zębów trzonowych myszy mają wpływ aktywatory (wydzielane przez tkanki otaczające zęby) i inhibitory (wydzielane przez pierwszy ` trzech zębów). Równowaga między nimi wpływa na proporcje zębów, które u danego gatunku są zazwyczaj podobne (mieszczą się w pewnym zakresie), ale mogą się oczywiście drastycznie różnić między gatunkami. Nie różnią się jednak w sposób zupełnie dowolny, a to dlatego, że sam system regulacji rozwoju zębów (aktywatory z otoczenia, inhibitory z pierwszego zęba) jest raczej taki sam u większości gatunków, a różnice leżą jedynie w rodzajach i ilościach aktywatorów i inhibitorów. Tak więc spośród wielu możliwych zmiennych, wpływających na proporcje zębów, zmieniają się tylko dwie, a co za tym idzie tylko pewien zakres fenotypów jest "dozwolony". Konkretnie rzecz ujmując, gdyby narysować układ współrzędnych, w którym wartości na osi rzędnych oznaczałyby stosunek powierzchni zęba trzeciego do powierzchni pierwszego (M3/M1), a te na osi odciętych - stosunek powierzchni zęba drugiego do powierzchni pierwszego (M2/M1) i zaznaczyć punkty odpowiadające średnim wartościom tych stosunków dla poszczególnych gatunków, to punkty te tworzyłyby mniej-więcej linię prostą (choć oczywiście, jak to zwykle bywa, to wszystko jest tylko w przybliżeniu prawdziwe i jakieś tam punkty zupełnie poza linią też są - to oczywiście ważne, ale na razie załóżmy, że wszystko jest w zgodzie z teorią). Co więcej, jeden koniec tej linii jest zajmowany przez gatunki roślinożerne, drugi - przez mięsożerne, a gatunki wszystkożerne są rozłożone pomiędzy tymi dwoma biegunami. Podsumowując: wygląda na to, że mechanizmy odpowiadające za rozwój zębów pozwalają tylko na pewne spektrum fenotypów (linie prostą na wykresie), a z kolei - jeśli trzymać się tradycyjnego sposobu tłumaczenia funkcji przez ewolucjonistów (którego się w poprzednim i tym wpisie trzymam, choć można by długo dywagować nad jego słusznością) - naturalna selekcja sprawia, że dany gatunek zajmuje tę część dozwolonego spektrum, która sprzyja jego diecie (konkretnie wygląda to tak, że gatunki mięsożerne mają zazwyczaj duży pierwszy ząb, mniejszy drugi i trzeci bardzo mały, albo nie mają go wcale, podczas gdy gatunki roślinożerne mają trzy zęby mniej więcej takiej samej wielkości; widocznie takie właśnie zęby dobrze rozcierają te rodzaje pokarmów). Tyle jeśli chodzi o powtórkę.
Badania nad paliczkami w łapach ptaków są - przypuszczalnie - bardzo podobne. Tych paliczków są zazwyczaj trzy (mogą też być czasem cztery, ale załóżmy, że zawsze trzy) w każdym palcu (szponie?) - paliczki odpowiadają "twardym" częściom palca, które nie mogą się zginać, pomiędzy zaś paliczkami są stawy, w których możliwe są zgięcia (czyli tak jak w naszych dłoniach). Gdy narysujemy wykres, na którym na jednej osi będzie stosunek długości pierwszego paliczka do trzeciego, a na drugiej - stosunek długości drugiego do pierwszego, punkty odpowiadające różnym gatunkom ptaków będą leżały w większości na linii prostej (czyli analogicznie do zębów trzonowych)- to wiem na pewno, bo taki wykres pokazywał Alon. Wiem też, że przeciwległe końce tej linii również odpowiadają dwóm różnym funkcjom. Do czego (w uproszczeniu) służą łapy ptaków? Jednym ptakom (np. kurom) - do chodzenia po ziemi; innym (np. jaskółkom) - do siedzenia na gałęzi, albo na drucie; jeszcze innym - do obydwu funkcji na raz. Rzeczywiście - te trzy grupy zajmują odpowiednio pierwszy koniec, drugi koniec i środek linii.
Jak można to wytłumaczyć? Gdyby iść po linii wytyczonej przez artykuł Kavanagh i Jernvalla na temat zębów myszy, trzeba by próbować wykazać, że istnieje jakiś mechanizm regulacji rozwoju paliczków. Trzeba by trochę pomajstrować przy tym mechanizmie, popróbować hodowli paliczków in vitro, zobaczyć co przyspiesza, co spowalnia rozwój itp. I pewnie wtedy można by odkryć, że rzeczywiście jest jakiś mechanizm, a w związku z tym pewne równanie, w którym niektóre zmienne - odpowiadające ilościom i rodzajom wchodzących w grę substancji - mogą się zmieniać, ale samo równanie musi (w teorii) być zawsze prawdziwe, bo opisuje ono ten konkretny mechanizm. Ponieważ samo zjawisko jest analogiczne do rozwoju zębów trzonowych - jedna po drugiej wykształcają się trzy kości, a zęby są pod wieloma względami podobne do kości- możemy przypuszczać, że mechanizm jest mniej więcej taki sam jak w przypadku rozwoju zębów i jestem pewien, że zespół Kavanagh zajmuje się właśnie udowadnianiem tego przypuszczenia.
Ale czy można by jakoś inaczej - to znaczy nie odwołując się zupełnie do mechanizmu rozwoju - wytłumaczyć dlaczego wykres obrazujący fenotypy różnych gatnkunków jest tak "regularny", a konkretnie - dlaczego tworzy linię prostą? Bo okazuje się - o tym mówił Alon - że gdy próbuje się narysować wykres, w którym na dwóch osiach zaznacza się wartości odpowiadające jakimś cechom anatomicznym lub fizjologicznym sprzyjającym jakimś funkcjom, to zadziwiająco często wykres ten tworzy mniej-więcej linię prostą, albo przynajmniej jakiś w miarę regularny kształt (oczywiście w dużym przybliżeniu), np. trójkąt, kwadrat. I po zbadaniu fenotypów okazuje się, że przeciwległe końce linii, albo rogi trójkąta, odpowiadają w takich sytuacjach organizmom "idealnie" przystowanym do różnych przeciwstawnych funkcji, środek zaś zajmują organizmy w różnej mierze przystosowane do wszystkich dwóch (trzech, czterech itp.) funkcji. Czy zawsze jest to spowodowane jedynie jakimś "ukrytym" mechanizmem rozwojowym, który ogranicza zakres możliwych "rozwiązań" anatomicznych i fizjologicznych? Uri Alon uważa, że nie, że to wszystko można wytłumaczyć znacznie prościej.
Po pierwsze, jeśli chodzi o paliczki w łapach ptaków, to wychodząc z zasad mechaniki można wywnioskować, że właśnie te konkretne stosunki długości paliczków (oznaczmy długości trzech kolejnych paliczków jako P1, P2 i P3), które obserwuje się dla ptaków, które tylko siedzą na gałęziach (P1=P2=P3) i tych, które tylko chodzą po ziemi (P1 dużo większy od P2, a P3 bardzo mały), są niemalże najlepsze, jakie tylko można sobie wyobrazić, do wykonywania tych funkcji. Gdy wszystkie trzy paliczki są równej długości, ptak może objąć gałąź tak, że siły rozkładają się równomiernie na trzy strony i najłatwiej jest utrzymać równowagę. Gdy pierwszy paliczek jest długi, drugi krótszy, a trzeci najkrótszy - najłatwiej jest z kolei utrzymać równowagę podczas chodzenia po ziemi. Więc w pewnym sensie choćby i nie było żadnych ograniczeń wynikających z mechanizmu rozwojowego, właśnie takie łapy najlepiej spełniałyby dane funkcje. Innymi słowy, niemalże niezależnie od zasad rozwoju, punkty odpowiadające tym dwóm idealnym fenotypom (nazwijmy je "kurą" i "jaskółką", choć wątpliwe, że te właśnie ptaki są takimi "idealnymi" przykładami; kura w końcu nie tylko chodzi, ale czasem też siedzi na grzędzie, a jaskółka może i czasem chodzi, nie wiem) byłyby na naszym wykresie mniej-więcej tam, gdzie są. Tylko z powodu naturalnej selekcji, która pokierowałaby fenotypem właśnie w tych kierunkach.
Druga obserwacja: ptak nie może być jednocześnie zbyt dobry w siedzeniu na gałęzi i chodzeniu po ziemi, właśnie dlatego, że różne stosunki długości paliczków są potrzebne do różnych funkcji. Muszą być więc dwa bieguny - i jak pisałem, muszą być mniej-więcej tam, gdzie są.
Jak wiadomo, jeśli są dwa punkty, to można wyznaczyć między nimi linię. Ale czy jest coś, co sprawia, że pozostałe punkty też muszą leżeć na linii? Dlaczego ptaki, które trochę siedzą, trochę chodzą, muszą być właśnie gdzieś między kurą a jaskółką, a nie np. trochę na bok od łączących je linii?
Można próbować wytłumaczyć to tak: skoro mamy na wykresie dwa punkty idealne, i wykres jest skonstruowany tak, że pokazuje zależność między dwiema cechami, które mają bezpośredni wpływ na dwie przeciwstawne funkcje (jak w naszym przypadku), to za miarę tego, jak dany ptak jest dobry w konkretnej funkcji można uznać odległość od idealnego punktu dla tej funkcji (oczywiście nie musi to być dosłownie odległość, którą możemy zmierzyć linijką na wykresie - może to być jakaś funkcja tej odległości, np. jej logarytm, albo funkcja bardziej złożona, ale jednak rosnącą, mniej lub bardziej równomiernie, wraz z odległością).
Zróbmy więc tak. Narysujmy dwie osie wykresu, a na wykresie dwa punkty, jeden o małych wartościach x i y (a więc będący blisko początku i nisko na wykresie), drugi o dużych wartościach x i y (daleko od początku, wysoko). Punkt u dołu to pierwszy stan idealny, "jaskółka"; punkt u góry - drugi, tzn. "kura". Połączmy te dwa punkty linią.
Teraz wyobraźmy sobie dowolny punkt (załóżmy, że odpowiada on "zmutowanemu wróblowi") leżący poza linią łączącą "stany idealne". Narysujmy odcinek "zmutowany wróbel"-"kura". Załóżmy, że ma on na naszym wykresie długość 10 jednostek. Teraz narysujmy okrąg o długości 10 i środku w punkcie "kura". Okrąg ten będzie przebiegał przez "zmutowanego wróbla", ale będzie oczywiście przecinał także linię łączącą "kurę" z "jaskółką". Oznaczmy punkt przecięcia okręgu z tą linią jako "wróbel". Teraz porównajmy "zmutowanego wróbla" z "wróblem". Obydwa ptaki są równie dobre w jednej funkcji - w chodzeniu po ziemi, co wyraża ta sama odległość od "kury", wynosząca 10 jednostek. Jednak odległość od "jaskółki" jest różna: "wróbel" jest bliżej niż "zmutowany wróbel". Jeśli wróbel miałby tylko chodzić po ziemi, to ani jeden punkt, ani drugi nie byłby dla niego idealny: idealnym miejscem, byłoby to, które zajmuje "kura". Skoro więc już wróbel nie jest tam, gdzie kura, to znaczy, że dla niego ważne są obydwie funkcje. A jeśli ważne są obydwie funkcje (przy czym zdolność chodzenia jest ważna na tyle, że właśnie odległość od kury równa 10 "wystarcza"), to zdecydowanie w lepszej sytuacji jest "wróbel" niż "zmutowany wróbel", bo będąc tak samo dobrym w chodzeniu, jest lepszy w siedzeniu.
Podobnie można udowodnić dla każdego innego punktu leżącego poza linią - że dla każdego z tych punktów istnieje inny, który jest tak samo dobry w jednej z funkcji, a w drugiej lepszy. A - znów uciekam się do sposobu tłumaczenia właściwego typowym podręcznikom biologii ewolucyjnej - jeśli wszystkim kieruje naturalna selekcja, a każdy z tych gatunków istniał bardzo długo i miał czas "wyćwiczyć się" w swojej funkcji, to nie będzie leżał poza linia, ale raczej na linii (jest to zgodne ze stosowaną w ekonomii zasadą Pareto). Co zresztą - przynajmniej w teorii - obserwujemy (w praktyce nie do końca). Poza linią spotkamy za to często mutanty, które wskutek choroby są w jakiejś mierze "zniekształcone".
Co z tego wszystkiego wynika? Że można w "alternatywny" (a jednocześnie bardziej klasyczny: odwołując się tylko do selekcji) sposób wytłumaczyć tę samą zależność, którą wcześniej tłumaczyliśmy odwołując się do zasad biologii rozwojowej. Nie znaczy to jednak, że tylko jeden z tych sposobów tłumaczenia jest prawdziwy - raczej obydwa, i dzięki temu nawzajem się one uzupełniają, zapewniając większą zbieżność z wariantem idealnym, tzn. wszystkimi fenotypami leżącymi w perfekcyjnym szeregu na tej samej linii.
niedziela, 31 października 2010
piątek, 22 października 2010
Zęby trzonowe myszy i paliczki ptaków - część 1.
Istnieje więc w ewolucji pewna równowaga między adaptacją do różnych funkcji (a funkcją zębów jest w końcu rozcieranie pożywienia) - klasycznym pojęciem biologii ewolucyjnej, a dozwolonym spektrum fenotypów, dyktowanym przez "elastyczność" procesu rozwojowego, w jakim powstają pojedyncze organizmy. Czyli "evo-devo".
Internet najlepiej pokazuje, jak bardzo różnymi rzeczami się ludzie interesują. Podobnie naukowcy mają najrozmaitsze zainteresowania badawcze, czasem dość osobliwe. Na przykład Jukka Jernvall, bardzo zdolny i dość już znany fiński biolog, zajmuje się rozwojem zębów i ewolucją układów zębowych. Kto chciałby zobaczyć czym gryzą różne zwierzęta, może znaleźć w internecie stworzoną przez niego parę lat temu bazę trójwymiarowych skanów zębów wielu gatunków o nazwie MorphoBrowser. Oczywiście, dzięki wielu analogiom, jakie istnieją w świecie przyrody, badania prowadzone nad jakimś konkretnym zagadnieniem, czy nad jednym tylko organizmem, mogą prowadzić do znacznie bardziej ogólnych wniosków - na tym opiera się metodologiczna zasada używania prostych systemów modelowych. Dlatego mimo iż ich tematyka jest tak szczegółowa, warto zwrócić na prace Jernvalla uwagę, zwłaszcza, że zajmują one miejsce gdzieś pomiędzy różnymi dziedzinami biologii: biologii makro- (na poziomie organizmu, gatunku, rodzaju) i mikroskopowej (genów, białek, molekularnych szlaków sygnałowych), a także biologii eksperymentalnej (eksperymenty in vitro, obserwacje in vivo, paleontologiczne wykopaliska i obserwacje eksponatów muzealnych) i teoretycznej (modelowanie matematyczne/komputerowe), a wiadomo, że to, co na styku wielu dziedzin (jeśli umiejętnie je łączy, szanując różnice w metodologicznych podstawach tych dziedzin - czyli, używając frazy J. Maritaina, "rozróżnia, aby łączyć"), jest często najciekawsze. Do tego trudniej o ciekawsze tematy, niż te, które porusza: rozwój, funkcjonowanie i ewolucja organizmów (oczywiście ze szczególnym uwzględnieniem systemów zębowych). Parę lat temu w grupie Jernvalla pracowała Kathryn D. Kavanagh, która obecnie zakłada podobne laboratorium na Uniwersytecie w Massachusetts/Dartmouth. Zamierza ona, używając podobnych metod do swojego byłego szefa, badać - przynajmniej na początku - paliczki w łapach ptaków - również próbując wysunąć dalej idące wnioski dotyczące powiązań między rozwojem organizmów, a ewolucją (połączenie biologii rozwojowej - ang. development - i ewolucyjnej - ang. evolution, o którym obecnie bardzo głośno, nazywa się w publikacjach angielskojęzycznych evo-devo - może przydałby się jakiś polski odpowiednik, oczywiście zgodny z zasadami polskiego słowotwórstwa?).
Jernvall i Kavanagh mają na koncie wspólny artykuł w "Nature" o tytule "Jak przewidzieć przebieg ewolucji zębów u ssaków znając zasady rozwoju tych organów" (Predicting evolutionary patterns of mammalian teeth from development; niestety artykuły w tym periodyku są dostępne tylko dla prenumeratorów, w bibliotekach uniwersyteckich lub po zalogowaniu się na serwer uniwersytecki), który jest niezwykle ciekawy. Pozwolę go sobie pokrótce streścić. Odwołanie do "ssaków" w tytule artykułu jest trochę na wyrost - w rzeczywistości badacze skupili się na gryzoniach, a szczególnie na myszach (Mus musculus); także odwołanie do "zębów" nie jest do końca celne - zajęto się tylko zębami trzonowymi. Pierwsza część badań polegała na obserwacji rozwoju zębów trzonowych u myszy in vivo, czyli u tejże żywej myszy, zaglądając jej co jakiś czas do jamy ustnej, oraz po przeniesieniu zarodków zębów, gdy tylko się pojawiły, do hodowli in vitro, czyli - tak to sobie wyobrażam - do jakiegoś plastikowego naczynia, w którym podtrzymywano komórki zarodków zębów, a później już zębów, przy życiu przez podawanie odpowiednich stymulatorów (czyli takich jakby lokalnych hormonów, które są w normalnych warunkach wydzielane u zwierząt w obrębie tkanek, by zapobiec obumieraniu wchodzących w ich skład komórek) i pożywek.
Z rozwojem zębów trzonowych jest tak, że najpierw powstaje pierwszy zarodek, M1 ("M" pochodzi od ang. słowa na ząb trzonowy, mural) i z niego rozwija się pierwszy ząb. Jednocześnie dość wcześnie w rozwoju zęba M1 duplikuje się on przez "pączkowanie", tworząc najpierw zarodek, a potem ząb, M2. Analogicznie powstaje trzeci ząb (M3) z drugiego. Zęby M1, M2 i M3 rozwijają się po kolei. Tak się dzieje zarówno u żywej myszy, jak i w hodowli zębów in vitro. Różnica jest jednak taka, że podczas gdy zęby M1 rozwijają się z podobną szybkością i tu i tu, to powstanie i rozwój zębów M2 jest spowolnione in vitro, a zęby M3 się czasem w ogóle nie rozwijają in vitro. Wniosek: w normalnym środowisku jest jeszcze coś, co pobudza wzrost zębów M2 i M3, a czego brakuje w plastikowym naczyniu. Najprostsza hipoteza: poziom stymulatorów (wspomnianych przeze mnie "lokalnych hormonów") jest wyższy. Rzeczywiście, jeśli w hodowli umieści się specjalne plastikowe kuleczki, które powoli uwalniają "lokalne hormony", w normalnych warunkach produkowane przez tkanki okołozębowe, to rozwój zębów w hodowli dokonuje się w podobnym tempie jak in vivo.
Ciekawe jest jednak to, że gdy brakowało tych stymulatorów, rozwój zębów M2 i M3 był co prawda opóźniony, ale ząb M1 rozwijał się normalnie. Można było więc przypuszczać - także dlatego, że to dość typowa sytuacja w biologii rozwojowej - że ząb M1 wydziela inhibitory - substancje spowalniające rozwój - które oddziałują na zęby M2 i M3, a których efekt jest neutralizowany przez stymulatory, gdy jest ich dostateczna ilość, a kiedy stymulatorów brakuje, zaczyna być bardziej widoczny. Żeby tę drugą hipotezę sprawdzić, naukowcy oddzielili (za pomocą skalpela) zarodek zęba M2, gdy się tylko pojawił, i śledzili jego rozwój w większej odległości od M1: rzeczywiście, w takiej sytuacji ząb rozwijał się normalnie. Dodatkowo, sprawdzili, czy ząb M1 wydziela substancje - białka - znane jako inhibitory rozwoju kości; rzeczywiście: wydziela takie substancje.
W dużym uproszczeniu rozwój zębów wygląda więc tak: najpierw rozwija się M1, potem M2, a na końcu M3; rozwój zębów M3 i M3 jest hamowany przez inhibitory wydzielane przez M1 i pobudzany przez stymulatory wydzielane przez okoliczne tkanki. Te czynniki mają wpływ nie tylko na szybkość rozwoju zębów, ale także na ich ostateczną wielkość (bo w pewnym momencie zęby zaczynają mineralizować i wtedy już za późno: ile urosły do tego momentu, takie będą), a nawet na to, czy - w przypadku M3 - ząb w ogóle się rozwinie. Jeśli inhibitory i stymulatory są w pewnej równowadze, zęby są równej wielkości: M1 = M2 = M3. Jeśli przeważają inhibitory, pojawia się różnica wielkości: M1 > M2 > M3, co więcej, można matematycznie określić - na podstawie eksperymentów - że wielkość zęba (zakładając 1 dla M1) wyraża się, w przybliżeniu, wzorem 1 + [(a - i)/i](x - 1), gdzie x to numer zęba, a - ilością aktywatorów, i - inhibitorów.
I co z tego - można zapytać? To, że - zakładając, że podobny system, z inhibitorami i aktywatorami, niewiele się zmienia w przeciągu ewolucji (owszem, mogą się zmieniać wartości a i i - bo różne ilości i rodzaje aktywatorów i inhibitorów są produkowane u różnych organizmów, ale sam system - można się spodziewać - będzie stosunkowo stały, albo przynajmniej oporny na proste modyfikacje), zęby trzonowe nie mogą sobie być, jakie chcą, tylko muszą być zachowane pewne proporcje, pewne zależności. Pierwszy ząb albo taki sam jak dwa pozostałe, albo największy, a kolejne, skoro nie takie same, to mniejsze i to zgodnie z wyżej wspomnianym równaniem.
Czy tak jest rzeczywiście? W drugiej części artykułu Jernvall i jego uczniowie korzystają ze skonstruowanej przez siebie bazy danych MorphoBrowser, by śledzić kształt zębów u różnych gryzoni. I rzeczywiście, wydaje się, że ewolucyjny schemat, który rysuje się, gdy spojrzeć się na całe spektrum różnych gatunków, zdaje się być zgodny z zasadami, o których pisałem wyżej. Zęby trzonowe nie mają zupełnie dowolnych wielkości i kształtów.
Jest jednak miejsce dla różnic w funkcjonalności: okazuje się, że gdy się spojrzy na spektrum dozwolonych zębów (M1=M2=M3, M1>M2>M3, M1 dużo większe od M2 i dużo większe od M3 itd., aż po duży M1, mały M2 i brak M3) to jeden biegun tego spektrum sprzyja pewnym rodzajom diety, przeciwny - innym. Fenotypy pośrednie mają i pośrednie diety. Jest więc powiązanie między adaptacją do różnych funkcji (a funkcją zębów jest w końcu rozcieranie czy rozdzieranie konkretnych rodzajów pożywienia)- klasycznym pojęciem biologii ewolucyjnej (czy tak do końca słusznym - inna sprawa), a dozwolonym spektrum fenotypów, dyktowanym przez "elastyczność" procesu rozwojowego, w jakim powstają pojedyncze organizmy. Czyli "evo-devo".
Internet najlepiej pokazuje, jak bardzo różnymi rzeczami się ludzie interesują. Podobnie naukowcy mają najrozmaitsze zainteresowania badawcze, czasem dość osobliwe. Na przykład Jukka Jernvall, bardzo zdolny i dość już znany fiński biolog, zajmuje się rozwojem zębów i ewolucją układów zębowych. Kto chciałby zobaczyć czym gryzą różne zwierzęta, może znaleźć w internecie stworzoną przez niego parę lat temu bazę trójwymiarowych skanów zębów wielu gatunków o nazwie MorphoBrowser. Oczywiście, dzięki wielu analogiom, jakie istnieją w świecie przyrody, badania prowadzone nad jakimś konkretnym zagadnieniem, czy nad jednym tylko organizmem, mogą prowadzić do znacznie bardziej ogólnych wniosków - na tym opiera się metodologiczna zasada używania prostych systemów modelowych. Dlatego mimo iż ich tematyka jest tak szczegółowa, warto zwrócić na prace Jernvalla uwagę, zwłaszcza, że zajmują one miejsce gdzieś pomiędzy różnymi dziedzinami biologii: biologii makro- (na poziomie organizmu, gatunku, rodzaju) i mikroskopowej (genów, białek, molekularnych szlaków sygnałowych), a także biologii eksperymentalnej (eksperymenty in vitro, obserwacje in vivo, paleontologiczne wykopaliska i obserwacje eksponatów muzealnych) i teoretycznej (modelowanie matematyczne/komputerowe), a wiadomo, że to, co na styku wielu dziedzin (jeśli umiejętnie je łączy, szanując różnice w metodologicznych podstawach tych dziedzin - czyli, używając frazy J. Maritaina, "rozróżnia, aby łączyć"), jest często najciekawsze. Do tego trudniej o ciekawsze tematy, niż te, które porusza: rozwój, funkcjonowanie i ewolucja organizmów (oczywiście ze szczególnym uwzględnieniem systemów zębowych). Parę lat temu w grupie Jernvalla pracowała Kathryn D. Kavanagh, która obecnie zakłada podobne laboratorium na Uniwersytecie w Massachusetts/Dartmouth. Zamierza ona, używając podobnych metod do swojego byłego szefa, badać - przynajmniej na początku - paliczki w łapach ptaków - również próbując wysunąć dalej idące wnioski dotyczące powiązań między rozwojem organizmów, a ewolucją (połączenie biologii rozwojowej - ang. development - i ewolucyjnej - ang. evolution, o którym obecnie bardzo głośno, nazywa się w publikacjach angielskojęzycznych evo-devo - może przydałby się jakiś polski odpowiednik, oczywiście zgodny z zasadami polskiego słowotwórstwa?).
Jernvall i Kavanagh mają na koncie wspólny artykuł w "Nature" o tytule "Jak przewidzieć przebieg ewolucji zębów u ssaków znając zasady rozwoju tych organów" (Predicting evolutionary patterns of mammalian teeth from development; niestety artykuły w tym periodyku są dostępne tylko dla prenumeratorów, w bibliotekach uniwersyteckich lub po zalogowaniu się na serwer uniwersytecki), który jest niezwykle ciekawy. Pozwolę go sobie pokrótce streścić. Odwołanie do "ssaków" w tytule artykułu jest trochę na wyrost - w rzeczywistości badacze skupili się na gryzoniach, a szczególnie na myszach (Mus musculus); także odwołanie do "zębów" nie jest do końca celne - zajęto się tylko zębami trzonowymi. Pierwsza część badań polegała na obserwacji rozwoju zębów trzonowych u myszy in vivo, czyli u tejże żywej myszy, zaglądając jej co jakiś czas do jamy ustnej, oraz po przeniesieniu zarodków zębów, gdy tylko się pojawiły, do hodowli in vitro, czyli - tak to sobie wyobrażam - do jakiegoś plastikowego naczynia, w którym podtrzymywano komórki zarodków zębów, a później już zębów, przy życiu przez podawanie odpowiednich stymulatorów (czyli takich jakby lokalnych hormonów, które są w normalnych warunkach wydzielane u zwierząt w obrębie tkanek, by zapobiec obumieraniu wchodzących w ich skład komórek) i pożywek.
Z rozwojem zębów trzonowych jest tak, że najpierw powstaje pierwszy zarodek, M1 ("M" pochodzi od ang. słowa na ząb trzonowy, mural) i z niego rozwija się pierwszy ząb. Jednocześnie dość wcześnie w rozwoju zęba M1 duplikuje się on przez "pączkowanie", tworząc najpierw zarodek, a potem ząb, M2. Analogicznie powstaje trzeci ząb (M3) z drugiego. Zęby M1, M2 i M3 rozwijają się po kolei. Tak się dzieje zarówno u żywej myszy, jak i w hodowli zębów in vitro. Różnica jest jednak taka, że podczas gdy zęby M1 rozwijają się z podobną szybkością i tu i tu, to powstanie i rozwój zębów M2 jest spowolnione in vitro, a zęby M3 się czasem w ogóle nie rozwijają in vitro. Wniosek: w normalnym środowisku jest jeszcze coś, co pobudza wzrost zębów M2 i M3, a czego brakuje w plastikowym naczyniu. Najprostsza hipoteza: poziom stymulatorów (wspomnianych przeze mnie "lokalnych hormonów") jest wyższy. Rzeczywiście, jeśli w hodowli umieści się specjalne plastikowe kuleczki, które powoli uwalniają "lokalne hormony", w normalnych warunkach produkowane przez tkanki okołozębowe, to rozwój zębów w hodowli dokonuje się w podobnym tempie jak in vivo.
Ciekawe jest jednak to, że gdy brakowało tych stymulatorów, rozwój zębów M2 i M3 był co prawda opóźniony, ale ząb M1 rozwijał się normalnie. Można było więc przypuszczać - także dlatego, że to dość typowa sytuacja w biologii rozwojowej - że ząb M1 wydziela inhibitory - substancje spowalniające rozwój - które oddziałują na zęby M2 i M3, a których efekt jest neutralizowany przez stymulatory, gdy jest ich dostateczna ilość, a kiedy stymulatorów brakuje, zaczyna być bardziej widoczny. Żeby tę drugą hipotezę sprawdzić, naukowcy oddzielili (za pomocą skalpela) zarodek zęba M2, gdy się tylko pojawił, i śledzili jego rozwój w większej odległości od M1: rzeczywiście, w takiej sytuacji ząb rozwijał się normalnie. Dodatkowo, sprawdzili, czy ząb M1 wydziela substancje - białka - znane jako inhibitory rozwoju kości; rzeczywiście: wydziela takie substancje.
W dużym uproszczeniu rozwój zębów wygląda więc tak: najpierw rozwija się M1, potem M2, a na końcu M3; rozwój zębów M3 i M3 jest hamowany przez inhibitory wydzielane przez M1 i pobudzany przez stymulatory wydzielane przez okoliczne tkanki. Te czynniki mają wpływ nie tylko na szybkość rozwoju zębów, ale także na ich ostateczną wielkość (bo w pewnym momencie zęby zaczynają mineralizować i wtedy już za późno: ile urosły do tego momentu, takie będą), a nawet na to, czy - w przypadku M3 - ząb w ogóle się rozwinie. Jeśli inhibitory i stymulatory są w pewnej równowadze, zęby są równej wielkości: M1 = M2 = M3. Jeśli przeważają inhibitory, pojawia się różnica wielkości: M1 > M2 > M3, co więcej, można matematycznie określić - na podstawie eksperymentów - że wielkość zęba (zakładając 1 dla M1) wyraża się, w przybliżeniu, wzorem 1 + [(a - i)/i](x - 1), gdzie x to numer zęba, a - ilością aktywatorów, i - inhibitorów.
I co z tego - można zapytać? To, że - zakładając, że podobny system, z inhibitorami i aktywatorami, niewiele się zmienia w przeciągu ewolucji (owszem, mogą się zmieniać wartości a i i - bo różne ilości i rodzaje aktywatorów i inhibitorów są produkowane u różnych organizmów, ale sam system - można się spodziewać - będzie stosunkowo stały, albo przynajmniej oporny na proste modyfikacje), zęby trzonowe nie mogą sobie być, jakie chcą, tylko muszą być zachowane pewne proporcje, pewne zależności. Pierwszy ząb albo taki sam jak dwa pozostałe, albo największy, a kolejne, skoro nie takie same, to mniejsze i to zgodnie z wyżej wspomnianym równaniem.
Czy tak jest rzeczywiście? W drugiej części artykułu Jernvall i jego uczniowie korzystają ze skonstruowanej przez siebie bazy danych MorphoBrowser, by śledzić kształt zębów u różnych gryzoni. I rzeczywiście, wydaje się, że ewolucyjny schemat, który rysuje się, gdy spojrzeć się na całe spektrum różnych gatunków, zdaje się być zgodny z zasadami, o których pisałem wyżej. Zęby trzonowe nie mają zupełnie dowolnych wielkości i kształtów.
Jest jednak miejsce dla różnic w funkcjonalności: okazuje się, że gdy się spojrzy na spektrum dozwolonych zębów (M1=M2=M3, M1>M2>M3, M1 dużo większe od M2 i dużo większe od M3 itd., aż po duży M1, mały M2 i brak M3) to jeden biegun tego spektrum sprzyja pewnym rodzajom diety, przeciwny - innym. Fenotypy pośrednie mają i pośrednie diety. Jest więc powiązanie między adaptacją do różnych funkcji (a funkcją zębów jest w końcu rozcieranie czy rozdzieranie konkretnych rodzajów pożywienia)- klasycznym pojęciem biologii ewolucyjnej (czy tak do końca słusznym - inna sprawa), a dozwolonym spektrum fenotypów, dyktowanym przez "elastyczność" procesu rozwojowego, w jakim powstają pojedyncze organizmy. Czyli "evo-devo".
piątek, 8 października 2010
Małe cząsteczki
W tym roku nagroda Nobla w dziedzinie chemii dostała się - nietypowo - chemikom, w dodatku najprawdziwszym z chemików - organikom zajmującym się syntezą nowych związków. Jak się to ma do biologii? Dzięki takim metodom chemii organicznej, jak ta, za którą przyznano nagrodę, możemy produkować niewielkie cząsteczki blokujące enzymy, które służą jako leki.
Ten tydzień to przede wszystkim Noble. Nobla z biologii czy biochemii oczywiście nie ma, ale są Noble z medycyny/fizjologii i chemii; zarówno ten pierwszy, jak i ten drugi, często trafiają w ręce biologów (jak choćby w zeszłym roku, gdy przyznano je naukowcom badającym, odpowiednio, telomery i strukturę rybosomu). Tym razem nagroda w dziedzinie chemii dostała się jednak chemikom, w dodatku najprawdziwszym z chemików - organikom zajmującym się syntezą nowych związków: Negishiemu, Suzukiemu i Heckowi (nagrodę mógłby przypuszczalnie dostać jeszcze John Steele, który zginął w 1989 w katastrofie lotniczej). Znów - tak jak pięć lat temu, gdy nagrodę dostali badacze metatezy olefin - za bardzo skuteczne katalizatory oparte na cząsteczkach metali (tym razem - palladu). Katalizator to substancja, którą dodaje się do reakcji i która, co prawda, bierze, mniej lub bardziej bezpośrednio, w niej udział, przyspieszając jej przebieg, ale na koniec jest odzyskiwana: (przynajmniej w teorii) nie ma więc żadnego ubytku katalizatora netto. Oczywiście dla biologów katalizatorami par excellence są enzymy - rzeczywiście, chemicy organicy w wielu wypadkach mogą pomarzyć o uzyskaniu takiej selektywności i takiej wydajności, jaka charakteryzuje reakcje zachodzące w organizmach żywych: ratuje ich jedynie to, że, w odróżnieniu od enzymów, nie muszą wszystkich reakcji przeprowadzać w niemalże pokojowej temperaturze, atmosferycznym ciśnieniu i z reguły dość normalnym pH - w chemii, jak reakcja nie chce zachodzić, zawsze można włożyć probówkę w palnik, zwiększyć ciśnienie, mieszać zawartość z zawrotną prędkością.
Kto się interesował trochę chemią w liceum, ten może pamięta elementy chemii metalo-organicznej, o których wspomina się na lekcjach: że w pewnych reakcjach organicznych jako katalizator mogą posłużyć metale w formie stałej, metalicznej, w innych - sole albo wodorki cyny, niklu czy glinu, w jeszcze innych - może nawet nie tyle jako katalizator, ale jeden z reagentów - sód albo magnez. Kto się nie interesował i więcej czasu niż w książkach spędzał w garażu, dłubiąc w swoim pierwszym samochodzie, ten może wie, że w samochodach - choć niekoniecznie w kupionym za 500 złotych polonezie - jest część zwana katalizatorem, która zawiera platynę i odpowiada za przyspieszenie reakcji nieorganicznych (utleniania tlenku do dwutlenku węgla) i organicznych (m.in. dopalania nieprzereagowanych węglowodorów), oczyszczając w ten sposób spaliny. Metale, ze względu na swoje specyficzne właściwości, mogą szczególnie efektywnie oddziaływać z elektronami tworzącymi wiązania chemiczne, a że cała synteza organiczna to zrywanie i tworzenie odpowiednich wiązań, nic dziwnego, że metale czasem przydają się do przyspieszania czy zwiększania precyzyjności reakcji. Katalizatory oparte na palladzie to w zasadzie taka podstawowa chemia metalo-organiczna, właściwie może nawet się o nich wspomina na lekcjach czy w podręcznikach, nie pamiętam - są one dość proste, znane i stosowane od lat (przynajmniej 70. XX w.). Konkretnie stosuje się je w reakcjach przedłużania łańcucha, czyli tworzenia nowych wiązań węgiel-węgiel - fundamentalnego, a jednocześnie często najtrudniejszego, etapu syntezy każdej skomplikowanej cząsteczki.
Jak to się jednak ma do biologii? Dla biologów nawet największe związki, których syntezą zajmują się organicy, to - taka nazwa funkcjonuje w artykułach naukowych - "małe cząsteczki" (ang. "small molecules"). Rzeczywiście, są one dużo mniejsze niż białka, kwasy nukleinowe itp., które biolodzy na co dzień badają, otrzymawszy je uprzednio metodami biotechnologicznymi, zazwyczaj poprzez transformację bakterii odpowiednim genem i hodowlę tych bakterii (istnieją co prawda maszyny syntezujące metodami chemii organicznej peptydy i kwasy nukleinowe, ale stosuje się je raczej do tworzenia krótkich fragmentów - choć w tej kwestii dokonuje się ciągły postęp). Małe cząsteczki są jednak bardzo ważne, bo choć te najważniejsze funkcje w organizmach żywych spełniają duże cząsteczki, to na małych opiera się cały proces pozyskiwania energii i materiałów budulcowych - metabolizm. Niektóre enzymy zajmują się modyfikowaniem innych makrocząsteczek (choćby kinazy białkowe, które fosforylują inne białka), ale zazwyczaj przetwarzają one małe cząsteczki - jak to ma miejsce w takich szlakach metabolicznych, jak glikoliza czy cykl Krebsa. Jak wielkie mnóstwo różnych małych cząsteczek znajduje się w organizmach żywych, pokazują badania nad "metabolomem" różnych organizmów, tzn. zawartością niewielkich substancji chemicznych wewnątrz komórek (podstawą tych badań jest zazwyczaj technika zwana spektroskopią mas; wpisując "Human Metabolome Database" w Google'ach, można znaleźć stronę prezentującą aktualny stan badań nad metabolomem człowieka). (Swoją drogą pokazuje to, że kto chciałby zrównać człowieka z jego genomem, ten, nawet jeśli wierzy, że człowiek jest ostatecznie elementami, z których się składa, a nie - jak jest rzeczywiście - pewną całością, jednostką, osobą, zapomina o miliardach innych rodzajów substancji chemicznych, które się w nim znajdują, oprócz DNA.) W każdym razie zmierzam do tego, że skoro znaczna część fizjologii człowieka zasadza się na reakcjach katalizowanych przez enzymy, w których biorą udział małe cząsteczki, można pomyśleć o użyciu innych małych cząsteczek, podobnych do naturalnych, a jednak trochę zmienionych, by te enzymy blokować (albo pobudzać). No bo skoro jakieś białko może wiązać pewne małe cząsteczki, pewnie może także cząsteczki do nich podobne, a trochę zmienione. Jeśli znajdziemy cząsteczki, które się wiążą z białkiem (a najlepiej - wiążą mocniej, niż naturalny substrat), ale nie są przez niego przetwarzane, mogą one skutecznie "zaczopować" to białko. Takie cząsteczki nazywamy inhibitorami - właśnie cząsteczkami tego rodzaju jest większość najbardziej nowoczesnych leków, zaprojektowanych w oparciu o wiedzę o naturalnych substratach enzymów, które blokują (a najlepiej o wiedzę o strukturze przestrzennej tych enzymów, którą uzyskujemy z krystalografii i badań NMR - patrz poprzedni wpis), ale także wiele dawniejszych leków, których mechanizm działania nie był znany, gdy zaczynały być używane. Oczywiście można sobie wyobrazić dużą cząsteczkę, np. białko, która robi coś podobnego - ale duża cząsteczka opornie przenika do komórek ludzkiego organizmu i nie jest tak trwała, odporna na zmiany temperatury, a jej produkcja na dużą skalę, przechowywanie i transport są znacznie trudniejsze. Małe cząsteczki są w pewnym sensie realizacją marzenia sławnego niemieckiego biologa, Paula Ehrlicha (1854-1915, laureata nagrody Nobla wraz z Ilją Miecznikowem w 1908 r.), który pisał o "magische Kugeln" i "Zauberkugeln", czyli "magicznych pociskach", lekach, które będą w stanie dotrzeć na miejsce choroby i tam działać. Ale takie małe cząsteczki trzeba najpierw, w bardzo precyzyjny sposób, zsyntezować. I tu pojawia się pole do popisu dla chemików organików. W artykule na temat tegorocznej nagrody Nobla z chemii w "Nature" cytowany jest chemik z wielkiej firmy farmaceutycznej, AstryZeneci, który oszacował, że 15-30% leków produkowanych przez tę firmę tworzy się przy użyciu katalizatorów opartych na palladzie.
Może najlepszym przykładem współczesnych leków (choć nie wiem, czy tworzy się je przy użyciu nagrodzonych w tym roku katalizatorów) są te stosowane w terapii przeciw AIDS. Jednym z najważniejszych enzymów wirusa HIV jest odwrotna transkryptaza, która przepisuje genom wirusa zapisany w postaci RNA na DNA, by mógł on wszczepić się w genom człowieka, jak wiadomo zbudowany z DNA. To wszczepienie się jest ważnym etapem cyklu infekcji wirusa HIV. Podczas przepisywania RNA na DNA odwrotna transkryptaza musi przyłączać kolejne nukleotydy, które są, jak wiadomo, nie tak dużymi cząsteczkami składającymi się z łańcucha cukrowego, jednej z czterech różnych zasad azotowych i reszt fosforanowych. Próbowano więc zaprojektować cząsteczki podobne do nukleotydów, tzw. analogi nukleotydów. Powstał pewien problem - nukleotydy są także substratami wielu enzymów kluczowych dla funkcjonowania komórek człowieka, choćby polimerazy DNA - trudno więc znaleźć taki analog, który blokowałby wirusową odwrotną transkryptazę, a nie blokował enzymów ludzkich. W końcu jednak i to się udało - a właściwie udało się znaleźć takie substancje, które co prawda działają zarówno na ludzkie, jak i na wirusowe, enzymy, ale na wirusowe skuteczniej, więc przy podawaniu niewielkich dawek głównie one są blokowane (że ludzkie w jakiejś mierze też, pokazują efekty uboczne leku). Jedną z takich substancji jest zydowudyna, sprzedawana przez GlaxoSmith Kline jako Retrowir. Cząsteczka tego leku wygląda praktycznie tak samo, jak jeden z nukleozydów, deoksytymidyna, tyle, że zawiera grupę azydową (trzy atomy azotu połączone wiązaniami podwójnymi) zamiast hydroksylowej przy atomie węgla C3'. W komórce człowieka ten analog nukleozydu jest forsforylowany do trójfosforanu i wtedy staje się analogiem nukleotydu i może blokować reakcję katalizowaną przez odwrotną transryptazę.
Można by przy okazji tego wpisu napisać jeszcze o naturalnej chemii metalo-organicznej - o enzymach, które w swoich miejscach aktywnych posiadają jony metali, bo tak naprawdę biologia używała metali (ale o ile wiemy - nie palladu) do katalizy znacznie wcześniej, niż ludzie. Ale o tym może innym razem.
Bardziej biologiczną była przyznana w tym roku nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii dla Roberta G. Edwardsa, który wraz ze zmarłym przed 12 laty Patrickiem Steptoe, doniósł w 1978 r. w artykule w The Lancet o narodzinach pierwszego dziecka poczętego w wyniku zapłodnienia in vitro. Można by powiedzieć, że w odróżnieniu od nagrody pokojowej, Noble naukowe przyznawane są za osiągnięcia techniczne, nie za ich wartość moralną, jednak trudno być obojętnym wobec nagrody, którą uhonorowano bardzo ryzykowne i wątpliwe moralnie (żeby nie powiedzieć: niewątpliwie niemoralne) badania nad wątpliwą moralnie metodą. Obojętny więc nie jestem, ale powstrzymam się od komentarza.
Ten tydzień to przede wszystkim Noble. Nobla z biologii czy biochemii oczywiście nie ma, ale są Noble z medycyny/fizjologii i chemii; zarówno ten pierwszy, jak i ten drugi, często trafiają w ręce biologów (jak choćby w zeszłym roku, gdy przyznano je naukowcom badającym, odpowiednio, telomery i strukturę rybosomu). Tym razem nagroda w dziedzinie chemii dostała się jednak chemikom, w dodatku najprawdziwszym z chemików - organikom zajmującym się syntezą nowych związków: Negishiemu, Suzukiemu i Heckowi (nagrodę mógłby przypuszczalnie dostać jeszcze John Steele, który zginął w 1989 w katastrofie lotniczej). Znów - tak jak pięć lat temu, gdy nagrodę dostali badacze metatezy olefin - za bardzo skuteczne katalizatory oparte na cząsteczkach metali (tym razem - palladu). Katalizator to substancja, którą dodaje się do reakcji i która, co prawda, bierze, mniej lub bardziej bezpośrednio, w niej udział, przyspieszając jej przebieg, ale na koniec jest odzyskiwana: (przynajmniej w teorii) nie ma więc żadnego ubytku katalizatora netto. Oczywiście dla biologów katalizatorami par excellence są enzymy - rzeczywiście, chemicy organicy w wielu wypadkach mogą pomarzyć o uzyskaniu takiej selektywności i takiej wydajności, jaka charakteryzuje reakcje zachodzące w organizmach żywych: ratuje ich jedynie to, że, w odróżnieniu od enzymów, nie muszą wszystkich reakcji przeprowadzać w niemalże pokojowej temperaturze, atmosferycznym ciśnieniu i z reguły dość normalnym pH - w chemii, jak reakcja nie chce zachodzić, zawsze można włożyć probówkę w palnik, zwiększyć ciśnienie, mieszać zawartość z zawrotną prędkością.
Kto się interesował trochę chemią w liceum, ten może pamięta elementy chemii metalo-organicznej, o których wspomina się na lekcjach: że w pewnych reakcjach organicznych jako katalizator mogą posłużyć metale w formie stałej, metalicznej, w innych - sole albo wodorki cyny, niklu czy glinu, w jeszcze innych - może nawet nie tyle jako katalizator, ale jeden z reagentów - sód albo magnez. Kto się nie interesował i więcej czasu niż w książkach spędzał w garażu, dłubiąc w swoim pierwszym samochodzie, ten może wie, że w samochodach - choć niekoniecznie w kupionym za 500 złotych polonezie - jest część zwana katalizatorem, która zawiera platynę i odpowiada za przyspieszenie reakcji nieorganicznych (utleniania tlenku do dwutlenku węgla) i organicznych (m.in. dopalania nieprzereagowanych węglowodorów), oczyszczając w ten sposób spaliny. Metale, ze względu na swoje specyficzne właściwości, mogą szczególnie efektywnie oddziaływać z elektronami tworzącymi wiązania chemiczne, a że cała synteza organiczna to zrywanie i tworzenie odpowiednich wiązań, nic dziwnego, że metale czasem przydają się do przyspieszania czy zwiększania precyzyjności reakcji. Katalizatory oparte na palladzie to w zasadzie taka podstawowa chemia metalo-organiczna, właściwie może nawet się o nich wspomina na lekcjach czy w podręcznikach, nie pamiętam - są one dość proste, znane i stosowane od lat (przynajmniej 70. XX w.). Konkretnie stosuje się je w reakcjach przedłużania łańcucha, czyli tworzenia nowych wiązań węgiel-węgiel - fundamentalnego, a jednocześnie często najtrudniejszego, etapu syntezy każdej skomplikowanej cząsteczki.
Jak to się jednak ma do biologii? Dla biologów nawet największe związki, których syntezą zajmują się organicy, to - taka nazwa funkcjonuje w artykułach naukowych - "małe cząsteczki" (ang. "small molecules"). Rzeczywiście, są one dużo mniejsze niż białka, kwasy nukleinowe itp., które biolodzy na co dzień badają, otrzymawszy je uprzednio metodami biotechnologicznymi, zazwyczaj poprzez transformację bakterii odpowiednim genem i hodowlę tych bakterii (istnieją co prawda maszyny syntezujące metodami chemii organicznej peptydy i kwasy nukleinowe, ale stosuje się je raczej do tworzenia krótkich fragmentów - choć w tej kwestii dokonuje się ciągły postęp). Małe cząsteczki są jednak bardzo ważne, bo choć te najważniejsze funkcje w organizmach żywych spełniają duże cząsteczki, to na małych opiera się cały proces pozyskiwania energii i materiałów budulcowych - metabolizm. Niektóre enzymy zajmują się modyfikowaniem innych makrocząsteczek (choćby kinazy białkowe, które fosforylują inne białka), ale zazwyczaj przetwarzają one małe cząsteczki - jak to ma miejsce w takich szlakach metabolicznych, jak glikoliza czy cykl Krebsa. Jak wielkie mnóstwo różnych małych cząsteczek znajduje się w organizmach żywych, pokazują badania nad "metabolomem" różnych organizmów, tzn. zawartością niewielkich substancji chemicznych wewnątrz komórek (podstawą tych badań jest zazwyczaj technika zwana spektroskopią mas; wpisując "Human Metabolome Database" w Google'ach, można znaleźć stronę prezentującą aktualny stan badań nad metabolomem człowieka). (Swoją drogą pokazuje to, że kto chciałby zrównać człowieka z jego genomem, ten, nawet jeśli wierzy, że człowiek jest ostatecznie elementami, z których się składa, a nie - jak jest rzeczywiście - pewną całością, jednostką, osobą, zapomina o miliardach innych rodzajów substancji chemicznych, które się w nim znajdują, oprócz DNA.) W każdym razie zmierzam do tego, że skoro znaczna część fizjologii człowieka zasadza się na reakcjach katalizowanych przez enzymy, w których biorą udział małe cząsteczki, można pomyśleć o użyciu innych małych cząsteczek, podobnych do naturalnych, a jednak trochę zmienionych, by te enzymy blokować (albo pobudzać). No bo skoro jakieś białko może wiązać pewne małe cząsteczki, pewnie może także cząsteczki do nich podobne, a trochę zmienione. Jeśli znajdziemy cząsteczki, które się wiążą z białkiem (a najlepiej - wiążą mocniej, niż naturalny substrat), ale nie są przez niego przetwarzane, mogą one skutecznie "zaczopować" to białko. Takie cząsteczki nazywamy inhibitorami - właśnie cząsteczkami tego rodzaju jest większość najbardziej nowoczesnych leków, zaprojektowanych w oparciu o wiedzę o naturalnych substratach enzymów, które blokują (a najlepiej o wiedzę o strukturze przestrzennej tych enzymów, którą uzyskujemy z krystalografii i badań NMR - patrz poprzedni wpis), ale także wiele dawniejszych leków, których mechanizm działania nie był znany, gdy zaczynały być używane. Oczywiście można sobie wyobrazić dużą cząsteczkę, np. białko, która robi coś podobnego - ale duża cząsteczka opornie przenika do komórek ludzkiego organizmu i nie jest tak trwała, odporna na zmiany temperatury, a jej produkcja na dużą skalę, przechowywanie i transport są znacznie trudniejsze. Małe cząsteczki są w pewnym sensie realizacją marzenia sławnego niemieckiego biologa, Paula Ehrlicha (1854-1915, laureata nagrody Nobla wraz z Ilją Miecznikowem w 1908 r.), który pisał o "magische Kugeln" i "Zauberkugeln", czyli "magicznych pociskach", lekach, które będą w stanie dotrzeć na miejsce choroby i tam działać. Ale takie małe cząsteczki trzeba najpierw, w bardzo precyzyjny sposób, zsyntezować. I tu pojawia się pole do popisu dla chemików organików. W artykule na temat tegorocznej nagrody Nobla z chemii w "Nature" cytowany jest chemik z wielkiej firmy farmaceutycznej, AstryZeneci, który oszacował, że 15-30% leków produkowanych przez tę firmę tworzy się przy użyciu katalizatorów opartych na palladzie.
Może najlepszym przykładem współczesnych leków (choć nie wiem, czy tworzy się je przy użyciu nagrodzonych w tym roku katalizatorów) są te stosowane w terapii przeciw AIDS. Jednym z najważniejszych enzymów wirusa HIV jest odwrotna transkryptaza, która przepisuje genom wirusa zapisany w postaci RNA na DNA, by mógł on wszczepić się w genom człowieka, jak wiadomo zbudowany z DNA. To wszczepienie się jest ważnym etapem cyklu infekcji wirusa HIV. Podczas przepisywania RNA na DNA odwrotna transkryptaza musi przyłączać kolejne nukleotydy, które są, jak wiadomo, nie tak dużymi cząsteczkami składającymi się z łańcucha cukrowego, jednej z czterech różnych zasad azotowych i reszt fosforanowych. Próbowano więc zaprojektować cząsteczki podobne do nukleotydów, tzw. analogi nukleotydów. Powstał pewien problem - nukleotydy są także substratami wielu enzymów kluczowych dla funkcjonowania komórek człowieka, choćby polimerazy DNA - trudno więc znaleźć taki analog, który blokowałby wirusową odwrotną transkryptazę, a nie blokował enzymów ludzkich. W końcu jednak i to się udało - a właściwie udało się znaleźć takie substancje, które co prawda działają zarówno na ludzkie, jak i na wirusowe, enzymy, ale na wirusowe skuteczniej, więc przy podawaniu niewielkich dawek głównie one są blokowane (że ludzkie w jakiejś mierze też, pokazują efekty uboczne leku). Jedną z takich substancji jest zydowudyna, sprzedawana przez GlaxoSmith Kline jako Retrowir. Cząsteczka tego leku wygląda praktycznie tak samo, jak jeden z nukleozydów, deoksytymidyna, tyle, że zawiera grupę azydową (trzy atomy azotu połączone wiązaniami podwójnymi) zamiast hydroksylowej przy atomie węgla C3'. W komórce człowieka ten analog nukleozydu jest forsforylowany do trójfosforanu i wtedy staje się analogiem nukleotydu i może blokować reakcję katalizowaną przez odwrotną transryptazę.
* * *
Bardziej biologiczną była przyznana w tym roku nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii dla Roberta G. Edwardsa, który wraz ze zmarłym przed 12 laty Patrickiem Steptoe, doniósł w 1978 r. w artykule w The Lancet o narodzinach pierwszego dziecka poczętego w wyniku zapłodnienia in vitro. Można by powiedzieć, że w odróżnieniu od nagrody pokojowej, Noble naukowe przyznawane są za osiągnięcia techniczne, nie za ich wartość moralną, jednak trudno być obojętnym wobec nagrody, którą uhonorowano bardzo ryzykowne i wątpliwe moralnie (żeby nie powiedzieć: niewątpliwie niemoralne) badania nad wątpliwą moralnie metodą. Obojętny więc nie jestem, ale powstrzymam się od komentarza.
Subskrybuj:
Komentarze (Atom)