Molekuły cukrów zakotwiczone w powierzchni komórek i osłaniające wiele protein odgrywają olbrzymią rolę, ale jednocześnie są słabo poznane i badacze pragną nowych narzędzi do ich studiowania.
Robert F. Service

Jeśli cytolog chce zbadać szczegółowo raka piersi, może podążać dobrze wytyczonym szlakiem. Po zidentyfikowaniu sekwencji genomu związanych z rakiem, poprzez porównanie DNA ludzi zdrowych i chorych, może przeszukać bazy genetyczne, by odnaleźć poszukiwany gen. Mając sekwencję DNA, może określić strukturę aminokwasów białka produkowanego przez ten gen, wyizolować związek, by w fiolce zbadać jego biochemiczną aktywność. Może nawet zastosować znacznik fluorescencyjny, by obserwować jak przemieszcza się w obrębie komórek i móc domyślać się jego funkcji. Potem może usunąć ten badany gen z myszy w celu zebrania dodatkowych informacji, a nawet zsyntetyzować leki wspomagające lub blokujące aktywność genu, itd.

Sekwencja aminokwasów, struktura pierwszorzędowa białka

Ten utwór znajduje się w domenie publicznej w Stanach Zjednoczonych, ponieważ jest utworem Rządu Federalnego Stanów Zjednoczonych w rozumieniu Tytułu 17, Rozdziału 1, Sekcji 105 Kodeksu Stanów Zjednoczonych. Zobacz także artykuł prawo autorskie.

Źródło: wikipedia.org

Gdyby życie było tak proste dla badaczy zajmujących się węglowodanami komórek.

Łańcuchy węglowodanów, nazywanych glikanami lub polisacharydami, są podstawowymi biomolekułami, prawdopodobnie równie ważnymi jak kwasy nukleinowe DNA i RNA, białka i tłuszcze. Ozdabiają zewnętrzną powierzchnię prawie wszystkich komórek, kierują komunikacją i oddziaływaniem nie tylko naszych komórek, ale też bakteryjnych i wirusowych. Również okrywają wiele protein i pomagają organizować sposób zwijania białek w trójwymiarowy kształt oraz łączenia ich z celem. Naukowcy nigdy nie mieli narzędzi pozwalających na syntezę i modyfikację glikanów w ten sam przewidywalny sposób, który jest dostępny dla DNA i białek. Powoduje to, że glikany są jedną z najsłabiej opisanych grup związków organicznych.

Zwijanie białka

Uproszczony schemat przedstawiający istotę procesu zwijania białka.

Właściciel praw autorskich do tej pracy, udostępnia ją jako własność publiczną.

Źródło: wikipedia.org

Obecnie badacze zajmujący się glikanami mówią, że ta dziedzina musi dokonać wielkiego postępu w celu wytworzenia zestawu narzędzi potrzebnego do pracy. Nawet bez tych narzędzi  w ostatnich latach „postęp w glikanach jest dynamiczny,” mówi Laura Kiessling, chemik z University of Wisconsin. Wraz z szybko rosnącym uznaniem dla roli cukrów i napływem naukowych talentów „nadchodzi czas żniw” dodaje. Podobny wniosek znalazł się w raporcie opublikowany w sierpniu przez National Research Council (NRC) of the U.S. National Academies, który wskazuje, że agencje wspierające naukę w USA powinny w najbliższych dziesięciu latach skupić swoje wysiłki na przygotowaniu narzędzi ułatwiających badania na cukrach, tak jak  U.S. Department of Energy i National Institutes of Health przekazał pokaźne środki na zaawansowane technologie sekwencjonowania i analizy DNA, powinno się finansować naukę o glikanach.

Jeśli naukowcom uda się zrozumieć mowę cukrów, może mieć to kolosalny wpływ na wiele dziedzin badań, włączając wprowadzenie nowych szczepionek i tworzenie bardziej efektywnych biopaliw. Badacze zajmujący się cukrami już do tego zmierzają. David Walt, chemik z Tufts University w Medford, Massachusetts, który przewodniczył NRC, mówi, że bez takiego samego zestawu narzędzi, dostępnego dla badaczy DNA i białek, projekty są typowo heroicznym wysiłkiem, które mogą wykonać jedynie wysokospecjalistyczne laboratoria. „Chcemy, żeby badania nad cukrami były powszechne, przestały być wąską specjalnością” mówi Walt.

Słodsze szczepionki

Cukry jako takie nie są związane z konkretną sferą. Są powszechne w organizmach żywych i odgrywają rolę w większości chorób człowieka. Związki te są głównym składnikiem ścian komórkowych, gdzie są syntetyzowane z uczestnictwem dwutlenku węgla, surowca pobieranego w czasie oddychania roślin, przez co są przesiąknięte atmosferycznym węglem, tworząc największy jego rezerwuar. Cukry pochodzenia roślinnego mogą również dostarczać niekopalnego paliwa oraz nowoczesnych materiałów. „Ludzie zrozumieli, że cukry są ważnie, ale przedstawiają się one jako bardzo skomplikowane i złożone” mówi Walt.

Schemat budowy ściany komórkowej

Schemat budowy ściany komórkowej

Ten utwór został udostępniony jako własność publiczna przez jego autora, LadyofHats.

Źródło: wikipedia.org

Ta złożoność jest powodowana tym, że cukry są budowane w sposób różny od większości związków organicznych. W kwasach nukleinowych i białkach, poszczególne jednostki (nukleotydy dla DNA i RNA i kwasy nukleinowe dla białek), są połączone tym samym wiązaniem chemicznym. Wystarczy raz nauczyć się tworzenia i rozrywania tego wiązania, by móc syntetyzować prawie każdy kwas nukleinowy lub białko.

Inaczej jest w polisacharydach, które są zbudowane z ponad tuzina różnych jednostek połączonych różnymi wiązaniami, tworzonymi przez szeroką grupę enzymów. Ta różnorodność tworzy pięć głównych grup cukrów i sporą rozmaitość rozgałęzionych łańcuchów. Ponadto, inaczej niż u białek, które są syntetyzowane zgodnie z genetycznym planem, struktura poszczególnych cukrów jest kontrolowana tylko częściowo przez geny odpowiedzialne za enzymy łączące ze sobą cukry. Należy zaznaczyć, że wygląd łańcucha zależy też od koncentracji poszczególnych enzymów w komórkowym sosie. To wzajemne oddziaływanie między genetyką a lokalnym środowiskiem oznacza, że cukry powiązane z konkretnym białkiem, różnią się w zależności od środowiska powstawania.

Ta różnorodność jest przeszkodą dla studiowania cukrów komórkowych. Dla przykładu, biolog zazwyczaj bada strukturę białka (i poznaje jego prawdopodobną funkcję) krystalizując je i przy pomocy promieni X mapuje jego aminokwasy. Większość białek jest obsypana cukrami, a cukry dla każdej kopii tego samego białka nie są identyczne, przez co trudno jest stworzyć spójny kryształ. Dlatego biolog usuwa cukry. Jednak znaczy to, że w najlepszym wypadku otrzyma niepełny obraz. Ostatnio naukowcy lepiej utrzymują oba komponenty, częściowo dzięki badaniu białek insektów, które zazwyczaj mają bardziej jednorodne cukry.

Kryształy białek

Kryształy białek pochodzące z promu kosmicznego i stacji Mir.

Ten plik jest w domenie publicznej ponieważ został stworzony przez NASA. Polityka praw autorskich NASA stwierdza, że „materiały NASA nie są chronione prawami autorskimi, chyba że zapisano inaczej”. (NASA copyright policy lub JPL Image Use Policy).

Źródło: wikipedia.org

Waga takiego podejścia, została zilustrowana w pracy dotyczącej glikoprotein wirusa HIV. Rok temu, Ian Wilson biolog z Scripps Research Institute w San Diego, California i współpracownicy z 11 instytucji donieśli, że zaprojektowali komórki owadów do powielania ważnego białka gp120 będącego otoczką HIV, użytego do uzyskania krystalicznej struktury dwóch antyciał HIV, które neutralizują do 72% szczepów (Science, 25 November 2011, p. 1097). Otrzymane struktury zawierają cukry, które otaczają gp120 i wykazały, że najlepsze antyciało wiąże się z dwoma fragmentami wysoce konserwatywnych glikanów, które też przebija osłonkę cukrową, by związać się z białkową „podszewką”. „To, że znajdujemy miejsca [wiązań] znaczy, że możemy użyć ich do zaprojektowania mniejszych cząstek, które mogą być użyte jako czynnik odpornościowy” i prawdopodobnie jako szczepionka, mówi Wilson.

Schemat budowy glikoproteiny

Schemat przykładowej glikoproteiny

Ta grafika została (lub jest niniejszym) opublikowana jako własność publiczna przez jego autora, Kosigrim, w projekcie angielski Wikipedia. Dotyczy to całego świata.

Źródło: wikipedia.org

Inny rozwijający się obszar, to synteza glikanów (sztuka, która również ma biomedyczne implikacje). Naukowcy z łatwością mogą wytworzyć każde małe białko i złożyć coraz dłuższe łańcuchy RNA i DNA, ale dużo wolniej zdobywają wiedzę potrzebną do budowy złożonych cukrów. W czasie spotkania American Chemical Society (ACS) w sierpniu w Filadelfi, Samuel Danishefsky, chemik organiczny z  Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, opisał jak jego zespół opracował metodę syntezy cukrów powiązanych z komórkami rakowymi, w celu pobudzenia układu odpornościowego do walki z rakiem.

Makrofag i komórki rakowe

Makrofagi (mniejsze białe komórki) zlewające się i wstrzykujące toksynę w komórkę rakową.

Ten utwór znajduje się w domenie publicznej w Stanach Zjednoczonych, ponieważ jest utworem Rządu Federalnego Stanów Zjednoczonych w rozumieniu Tytułu 17, Rozdziału 1, Sekcji 105 Kodeksu Stanów Zjednoczonych. Zobacz także artykuł prawo autorskie.

Źródło: wikipedia.org

 

Badacze wiedzą od lat, że wiele komórek rakowych podlega znacznym zmianom sprzężonymi z ich powierzchniowymi glikanami. Niektórzy próbowali wykorzystać te zmiany w celu identyfikacji markerów molekularnych dla poszczególnych rodzajów raka, jako narzędzie diagnozy i dostarczające związku pobudzającego odpowiedź immunologiczną.

Skłonienie układu odpornościowego do zwrócenia uwagi na cukry jest sporym wyzwaniem. Cukry powierzchniowe komórki, nawet komórek rakowych, zwykle nie są dostrzegane jako „obce” przez układ odpornościowy. Próba stworzenia szczepionki na wczesne stadium raka polegała na zsyntetyzowaniu powszechnie występującego na rakowej komórce cukru i połączeniu go z jednostką stymulującą odporność, taką jak peptyd, czy nanopeptyd, równocześnie dodając polepszaczy, które również mogą uruchomić odpowiedź immunologiczną. Jeden z kandydatów na szczepionkę przeciw rakowi, wykorzystujący przedstawioną strategię mierzenia w cukry nazywa się globoH, szczepionka jest w fazie II i III testów klinicznych na raka piersi i w fazie I testów klinicznych na raka prostaty.

Pierwsze rezultaty są bardzo obiecujące, jednak różne komórki w pojedynczym guzie wytwarzają na powierzchni różne cukry, które są docelowym „antygenem” dla antyciał. „Nie jest prawdopodobne, by szczepionka przeciwrakowa załatwiła wszystkie komórki, każda szczepionka działa na jeden antygen” mówi Danishefsky. Dlatego razem ze swoją grupą wpadli na pomysł syntezy pięciu unikalnych dla guzów cukrów, połączenia ich i powiązania z białkiem stymulującym układ immunologiczny. Na spotkani ACS Danishefsky przedstawił pierwsze rezultaty testów na zwierzętach, które wyglądają obiecująco, a szczepionka weszła w fazę wstępnych testów klinicznych na raka jajników

Dla Danishefskiego to dopiero początek. Jego grupa zabrała się za złożone cukry na specyficznym dla prostaty antygenie (PSMA), glikoproteinie wytwarzanej na komórkach rakowych prostaty (coś innego niż powszechnie znany specyficzny dla prostaty antygen (PSA). W czasie spotkania ACS Danishefsky poinformował, że jeden z jego asystentów, Maciej Walczak, niedawno zsyntetyzował dwa różne kompleksy cukrów PSMA, jeden składający się z 14 połączonych cukrów, drugi z 17. Najtrudniejszym wyzwaniem w tym projekcie był fakt, że każda para sąsiadujących cukrów może łączyć się w jednej z dwóch orientacji. Walczak musiał kontrolować kierunek wiązania w każdym jego punkcie. Podzielił to zadanie. Najpierw wytworzył wiele kawałków związku, by potem połączyć je w ostateczną strukturę. Tak zbudowane cukry są teraz przygotowywane do roli szczepionek  i testów na zwierzętach.

PSMA

Model PSMA

Ten utwór został udostępniony jako własność publiczna przez jego autora, PDB

Źródło: wikipedia.org

Geert-Jan Boons z University of Georgia wybrał prostsze podejście. Pomimo znajomości faktu, że łączenie cukrów guza z białkami może powodować odpowiedz immunologiczną, Boons twierdzi, że w wielu przypadkach najsilniejsza odpowiedz jest przeciw białkom przenośnikowym, a nie cukrom. Razem z kolegami skupili swoje wysiłki na połączeniu cukrów z małym peptydem nazywanym MUC1, który wyzwala silną reakcję immunologiczną, równocześnie jest wystarczająco mały, by antyciała łączyły się z osłonką białkową HIV i cukrami na jej powierzchni. W czasie spotkania ACS, Boons raportował, że szczepionka otrzymana z cukrów komórek raka piersi zmniejszyła guz o 80% u modelowej myszy. Peng George Wang,  glikochemik z Georgia State University w Atlancie, twierdzi, że oba podejścia (małych i sporych szczepionek) są obiecujące, co pozwala mieć nadzieję, że przynajmniej jedno z nich zaowocuje techniką leczenia.

Białka przenośnikowe

Schemat białek przenośnikowych błony komórkowej

Ten utwór został udostępniony jako własność publiczna przez jego autora, LadyofHats.

Źródło: wikipedia.org

Tankowanie cukrem

Mimo, że naukowcy odkryli wiele enzymów budujących cukry in-vivo, wciąż badają dokładny mechanizm i uczą się jak sterować syntezą cukrów w żywych organizmach roślin i zwierząt. Mają nadzieję, że nauczą się kontrować sposób produkcji glikanów, w  podobny sposób, w jaki biologowie od dawna używają inżynierii genetycznej do modyfikowania produkcji białek. Na spotkaniu ACS, Markus Pauly, chemik z University of California (UC) Berkeley, przedstawił krok jego zespołu w kierunku przeprojektowania sposobu produkcji cukrów w roślinach, co może dać początek produkcji nowych biopaliw.

Obecne główne biopaliwo, etanol, jest produkowane przez mikroby fermentujące cukier ziaren kukurydzy i trzciny cukrowej. Jednak, obie te rośliny rywalizują o ziemię uprawną z roślinami jadalnymi. Badacze pracują od dziesięcioleci nad metodami zdobywania tych cukrów z rolniczych odpadów, takich jak trociny i resztki kukurydzy. Ale ściany komórkowe  zazwyczaj zawierają ligninę i hemicelulozy, z którymi bakterie produkujące etanol nie potrafią sobie poradzić.

Struktura ligniny

Fragment polimeru ligniny

Ta grafika została (lub jest niniejszym) opublikowana jako własność publiczna przez jego autora,718 bot , w projekcie Wikimedia Commons. Dotyczy to całego świata.

Źródło: wikipedia.org

W nadziei przeprogramowania roślin na produkcję mniejszej ilości hemiceluloz i lignin, Pauly z zespołem zaczął od dobrze poznanej rośliny Arabidopsis thaliana. Jak większość roślin wytwarza kilka różnych polimerów cukrów, każdy z nich zawiera cukrowy kręgosłup z dodatkowym, bocznym, zwisającym łańcuchem. Zespół Pauliego zablokował geny enzymów, które przyczepiają się do bocznego łańcucha i, co oczywiste, zaobserwował brak lub bardzo słaby wzrost roślin.  Następnie wprowadzono gen z pomidora, który wytwarza enzym przytwierdzający się do cukru zwanego arabinozą, nie używaną przez przez Arabidopsis, tworzącego cukrowe kręgosłupy. Rośliny Arabidopsis rozwijały się normalnie. „Nie jest ważne jaki cukier jest [w bocznym łańcuchu] byle by tam był” mówi Pauly. Jest zbyt wcześnie, by  mówić, że mamy metodę tworzenia roślin o większej zawartości cukrów, które mogą być fermentowane mikrobami, ale takie testy właśnie się zaczynają – mówi Pauly.

Rzodkiewnik pospolity

Rzodkiewnik pospolity

Powyższe zdjęcie (lub inny plik multimedialny) jest własnością publiczną, ponieważ prawa autorskie do niego wygasły.

Źródło: wikipedia.org

Gdy część grup naukowców nabiera większej biegłości w manipulowaniu glikanami w organizmach żywych, inne znajdują nowe metody obrazowania cukrów wewnątrz i okolicach komórek (kluczowa technika pokazująca wpływ jakichkolwiek zmian). W 2006 roku Carolyn Bertozzi, chemik z UC Berkeley, wraz z zespołem opracowała technikę obrazowania glikanów w żywych organizmach. Stworzyli fragmenty budujące cukry zawierające grupę chemiczną zwana azydek, nie występującą w organizmach. Następnie wytworzono fluorescencyjne sondy zawierające element, który szuka i łączy się wyłącznie z azydkami. Dzięki temu, gdy zmodyfikowane budulec zostanie włączony w glikany, grupa Bertozzi może obserwować ich ruch.

Zespół poszedł o krok dalej i wykorzystał tą technikę do śledzenia zmian glikanów w fazie embrionalnej Dania pręgowanego (Science, 2 May 2008, p. 664). W nowszych badaniach, zaczęto używać tej techniki do obserwacji, jak bakteria używa kombinacji cukrów i peptydów (Peptydoglikanów) do budowy ścian komórkowych. Ze względu na to, że peptydoglikany są głównym celem antybiotyków, nowe doniesienia mogą dać początek produkcji nowych antybiotyków przeciw chmarom chorób zakaźnych. „Uważamy, że będzie to zgrabna metoda monitorowania wydarzeń po blokadzie syntezy peptydoglikanów” mówi Bertozzi.

Struktura peptydoglikanu

Struktura peptydoglikanu

Właściciel praw autorskich do tej pracy, udostępnia ją jako własność publiczną. Dotyczy to całego świata

Autor: Yikrazuul

Źródło: wikipedia.org

Droga do celu

Wraz z postępem we wszystkich opisanych dziedzinach zajmujących się glikanami, Walt i inni mówią, że trzeba się skupić na ułatwieniu dostępu do nowych odkryć. „Rozumiemy, że bardzo ważne jest zastosowanie narzędzi i metod w podobny sposób jaki zrewolucjonizował biologię molekularną. Uważam, że jest do trudniejsze, ale możliwe do zrealizowania” mówi Walt.

NRC przedstawiło zarysy rekomendacji mających przyspieszyć rozwój nauki o glikanach. Wzywają one agencje państwowe do finansowania rozwoju programów technologicznych, które mają stworzyć techniki lepszego obrazowania, sekwencjonowania i syntezy glikanów. Prace ludzi takich jak Danishefsky i Bertozzi pokazują potencjał. Jednak, jak zauważa Walt, te jednostkowe sukcesy zazwyczaj mogą być stosowane dla wąskiej grupy glikanów. Walt wraz z innymi autorami raportu sugerują również stworzenie centralnej bazy danych dla cukrów ssaków, roślin i mikrobów, podobnej do Banku Danych Białkowych dla białek, czy GenBanku dla genów.

W czasach oszczędności, Walt nie wie skąd mogą pochodzić pieniądze służące zaspokojeniu potrzeb nauki o glikanach. Być może nowe finansowanie nie jest potrzebne. Ma nadzieję, że raport NRC pomoże agencjom wspierającym naukę skupić się na konkretnych projektach w zorganizowany sposób. Jeśli tak, za około dziesięć lat, naukowcy mogą być gotowi do rozpoczęcia Projektu poznania ludzkich glikanów i ich roli  w biologii, tak jak uczyniono to dla genów.

Artykuł jest tłumaczeniem, źródło:
http://www.sciencemag.org/content/338/6105/321.full