Projekta "Baktēriju mikronodalījumi kā sintētiski nanonreaktori" īstenotāji. No kreisās: Gints Kalniņš, Eva Emīlija Česle un Jānis Liepiņš. Foto: Ilze I. Dindune, LU fonda stipendiāte.

Latvijas Universitātes (LU) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas institūts sadarbībā ar Biomedicīnas pētījumu un studiju centru (BMC) īstenojis mecenāta “Mikrotīkls” atbalstītu projektu, kurā pētīts un aprakstīts mikropasaulē novērojams bioloģiskais fenomens, kas būtu potenciāli izmantojams zinātnes vai tehnikas vajadzībām, proti, baktērijās esošie ieslēgumi aplūkoti kā mikroskopiski, bioķīmiski reaktori.

Ar LU fonda administratīvu atbalstu LU vadošais pētnieks, bioloģijas doktors Jānis Liepiņš ir īstenojis nozīmīgu projektu, kurā pētītas iespējas, kā izmantot baktēriju šūnu elementus – mikronodalījumus – kā mākslīgus ķīmisko reakciju norises apvidus, tas ir, sintētiskus nanoreaktorus. Latvijas zinātnieku ieguldījums šīs jomas pētniecībā ir ļoti liels – pirmoreiz ir fiksēts un aprakstīts viena baktēriju mikronodalījuma veida pašsavākšanās principi, kā arī uzkonstruēts trīsdimensionāls baktēriju mikronodalījuma struktūrattēls. Projekta dalībnieka BMC pētnieka Dr.biol. Ginta Kalniņa un kolēģu sagatavotā zinātniskā publikācija ir lasāma plaši citētā žurnālā “Nature Communications”.

Mikropasaules dzīvokļi

Projekta vadītājs J. Liepiņš skaidro, ka mikronodalījums ir viens no baktēriju šūnu ieslēgumu veidiem. Tie sastāv no čaulas proteīniem, kas piešķir mikronodalījumam noteiktu, regulāru formu, kā arī “serdes” enzīmiem, kas realizē noteiktas, baktērijai nepieciešamas reakcijas. Aptuveni 40% no visa pasaules CO2, ko saista fotosintēzes procesā, tiek fiksēts īpašos baktērijās mikronodalījumos – karboksisomās. Mikronodalījumi būtiski uzlabo CO2 saistīšanu, jo ar to palīdzību atsevišķā baktērijas šūnas daļā tiek sakopoti oglekli saistoši enzīmi, un tādējādi lokāli tiek nodrošināti apstākļi maksimāli efektīvai reakcijas norisei. Ja šie paši enzīmi būtu izkliedēti pa visu šūnu, CO2 saistīšana būtu ievērojami lēnāka. Tādējādi pat nelielām baktēriju uzbūves vienībām var būt grandioza ietekme uz pasaules ekosistēmām.

“Mikronodalījumi ir veidojušies evolūcijas procesā kā baktēriju pielāgojumi, kurus baktērijas liek lietā, ja nepieciešams veikt kādu svarīgu procesu, kurā var veidoties gaistoši vai toksiski starpsavienojumi. Mums būtu rūpīgi jāizpēta principi, pēc kādiem darbojas dabā esošie mikronodalījumi, lai pētnieki nākotnē varētu izveidot mākslīgus mikronodalījumus, kas jau realizētu cilvēcei svarīgus procesus. Jau tagad ir veikti izmēģinājumi uzlabot augu oglekļa fiksēšanas efektivitāti, tajos ievietojot baktēriju karboksisomas. Uz mikronodalījumu bāzes izveidotie nanoreaktori varētu ražot farmācijā svarīgus savienojumus vai palīdzēt mikroorganismiem šķelt citādi grūti sašķeļamus substrātus, vai pat radikāli mainīt mikroorganismu barošanās principus, dodot iespēju nefotosintezējošiem organismiem fiksēt CO2,” tā nākotnes perspektīvas ieskicē Liepiņš.

Rezultāti, kas paver jaunas iespējas

Uzsākot pētījumu par Klebsiella pneumonia holīna vielmaiņas mikronodalījumu, galvenie uzdevumi bija:

  • saprast, vai iespējams šo mikronodalījumu sintezēt citā baktērijā, molekulārajā bioloģijā plaši izmantots organismā – zarnu nūjiņā Escehrichia coli;
  • noskaidrot, vai šajā sintētiskajā mikronodalījumā var  ievietot tai nosacīti “svešus”, citas baktērijas enzīmus;
  • pārbaudīt, vai enzīmu darbība sintētiskajā “nanoreaktorā” ir analoga neiepakotiem enzīmiem;
  • noskaidrot, vai proteīnu čaula rada būtisku barjeru izejvielu un produktu plūsmai gan no, gan uz sintētiskā mikronodalījuma.

 

Projekta īstenotāji. No kreisās: Gints Kalniņš, Eva Emīlija Česle un Jānis Liepiņš. Foto: Ilze I. Dindune.        GIF. Kustīgs mikronodalījuma 3D struktūrattēls. Kalniņš et al.

Projekta īstenotāji. No kreisās: Gints Kalniņš, Eva Emīlija Česle un Jānis Liepiņš (foto: Ilze I. Dindune). Mikronodalījuma 3D struktūrattēls (Kalniņš et al.).

Līdz šim bija zināms, ka gēni, kas kodē holīna vielmaiņas mikronodalījumu daļas – gan čaulu, gan tajā esošos proteīnus – veido vienu gēnu grupu, kas ir kompakti izvietota baktērijas genomā. Tādējādi tiek nodrošināta strauja visu mikronodalījuma komponentu saskaņota sintēze un pašsavākšanās baktērijā. Tomēr līdz šim nebija zināms, vai visi šajā gēnu grupā kodētie proteīni ir vienlīdz svarīgi, lai varētu sintezēt mikronodalījumu citā baktērijā.  

Projektā laikā G. Kalniņš ar citiem BMC pētniekiem ieguva stabilu K. pneumoniae mikronodalījumu ražošanu citā baktērijā – zarnu nūjiņā – un noskaidroja, kāds ir minimālais proteīnu “komplekts”, kas ir nepieciešams, lai iegūtu stabilus mikronodalījumus. Pirmo reizi pasaulē tika parādīts, pēc kādiem principiem pašsavācas holīna vielmaiņas mikronodalījums. Izrādījās, ka tas notiek secīgi pie galvenā enzīma, holīna liāzes, piesaistoties pārējiem mikronodalījuma komponentiem. Tāpat arī pirmo reizi pasaulē tika noskaidrota šī mikronodalījuma 3D struktūra. Tas izdevās, sadarbojoties ar Centrāleiropas Tehnoloģiju institūta (Masarika Universitāte, Brno, Čehija) speciālistiem. Mikronodalījuma  čaulas  caurlaidības mērījumi liecināja, ka iegūtais sintētiskais mikronodalījums darbojas efektīvi un tā čaulu var šķērsot  salīdzinoši lielas substrāta molekulas. 

Projekta ietvaros LU fonda vairākkārtējā stipendiāte, LU Bioloģijas fakultātes absolvente MSc.biol. Eva Emīlija Česle izstrādāja maģistra darbu par enzīmu iepakošanas stratēģiju mikrokonodalījumos. Turpmākajos pētījumos nepieciešams pārbaudīt iepakoto enzīmu aktivitāti, kā arī izstrādāt metodi, kas sniedz iespēju vienlaicīgi iepakot vairākus interesējošus enzīmus un tādejādi padarīt dabā sastopamo holīna vielmaiņas mikronodalījumu par platformu jaunu enzīmu iepakošanai cilvēces vajadzībām.


Par Latvijas Universitātes fondu

Jau kopš 2004. gada Latvijas Universitātes fonds nodrošina iespēju mecenātiem un sadarbības partneriem atbalstīt gan LU, gan citas vadošās Latvijas augstskolas, tā investējot Latvijas nākotnē. LU fonda prioritātes ir atbalstīt izcilākos studentus un pētniekus, veicināt modernas mācību vides izveidi, kā arī universitātes ēku būvi un rekonstrukciju.

Dalīties