Zorenje afinitete do virusov

V svetu okoli nas je ogromno virusov. Nekateri za svoje razmnoževanje izkoriščajo evkariontske celice, torej take, ki imajo dednino shranjeno v jedru, drugi pa bakterije. V našem telesu sicer prebiva na bilijone mikroorganizmov, med te sodijo bakterije, arheje, protisti in glive. Vse te skupine predstavljajo človeški mikrobiom, poleg mikroorganizmov pa v našem telesu najdemo tudi ogromno virusov. Največjo skupino v človeškem mikrobiomu pa predstavljajo virusi. Tako je ocenjeno, da imamo v človeškem telesu kar 380 bilijonov virusov, kar je kar desetkrat več, kot je ocenjeno število bakterij in človeških celic.

Vse viruse, ki jih najdemo na in v ljudeh, imenujemo človeški virom. Preučevanje človeškega mikrobioma in predvsem viroma je postalo živahno šele v zadnjih desetih letih, ko so raziskovalci in raziskovalke razvili nove metode detekcije virusov iz različnih vzorcev. Viromi različnih ljudi pa se razlikujejo in so odvisni od različnih dejavnikov, kot so na primer prehrana in različne infekcije s patogeni. Pomembne so tudi spremembe v populacijah gostiteljskih celic, ki jih lahko spremeni uporaba antibiotikov, in podobno.

Veliko virusov v našem telesu ne povzroča bolezni ali pa jih povzročajo le občasno. Nekateri lahko vodijo v razvoj raka, primer je humani papiloma virus, ki povzroča raka na materničnem vratu pri ženskah. Temu sorodni virusi povzročajo tudi nastanek bradavic na koži.

Poleg evkariontskih virusov, ki se pri svojem razmnoževanju zanašajo na človeške celice, pa je v nas še večja skupina prokariontskih virusov, ki jih imenujemo bakteriofagi. Ti za razmnoževanje uporabljajo bakterijske celice. Podrobneje raziskani so v primeru človeškega viroma v črevesju. S svojim delovanjem naj bi tako uravnavali ravnovesje v človeškem prebavnem sistemu, predvsem s svojim vplivom na bakterije. Znanstveniki in znanstvenice ocenjujejo, da imajo, podobno kot bakterije, tudi virusi v in na človeškem telesu pomembno vlogo pri zdravstvenem stanju ljudi.

Znanstvenice in znanstveniki pa so ugotovili, da bi viruse lahko uporabili tudi v terapevtske namene. Ravno o tem bo tekla beseda v današnji Frequenzi della Scienzi. V današnji oddaji se torej posvečamo uporabni strani virusov – natančneje uporabi virusov v biotehnologiji. Ker so virusi majhni in po svoji zgradbi relativno enostavni, jih lahko z modernimi molekularnobiološkimi metodami enostavno spreminjamo. S spreminjanjem njihove genetske informacije lahko virusu spreminjamo lastnosti in tudi njegovo sestavo. Ena izmed takšnih sprememb, ki jo raziskovalci in raziskovalke često s pridom izkoriščajo, je sprememba genetskega zapisa za virusne proteine, ki gradijo njihovo ovojnico.

Proteini, ki gradijo virusno ovojnico, so bodisi membranski proteini, ko virus obdaja lipidna membrana, ali pa kapsidni proteini, ko virusno ovojnico sestavljajo zgolj proteini. Proteini v virusni ovojnici so navadno tisti, ki določajo, na katero celico se bodo virusi vezali in jo nato izkoristili za svoje reprodukcijske namene.

V današnji oddaji se bomo osredotočili na skupino bakterijskih virusov, imenovanih tudi bakteriofagi. Za več informacij o bakteriofagih in njihovem biotehnološkem potencialu smo se obrnili na profesorja Tomaža Bratkoviča s Fakultete za farmacijo Univerze v Ljubljani. Doktor Bratkovič nam je najprej pojasnil, kaj sploh so in zakaj so tako priročni za uporabo v biotehnologiji.

Izjava

Viruse, ki za razmnoževanje izkoriščajo bakterije, imenujemo bakteriofagi. Bakteriofagi so torej naravni plenilci bakterij in bi jih tako lahko uporabili v biotehnologiji. V zadnjih letih se vrstijo zamisli za uporabo bakteriofagov kot alternative protibakterijskim učinkovinam, saj mnogi bakterijski sevi razvijejo odpornost na do sedaj odkrite in razvite antibiotike. Poleg tega bi jih lahko uporabili kot agente biološkega nadzora v kmetijstvu in naftni industriji. Raziskuje se tudi možnost, da bi bakteriofagi postali prevozna sredstva za posebne vrste cepiv, ki so osnovana na zapisu DNK oziroma proteinih. Bakteriofage pa bi lahko namesto za dostavo terapevtikov uporabili za zaznavo patogenov v nekem organizmu ali okolju.

Bakteriofage lahko zaradi enostavnosti genske in strukturne manipulacije s pridom izkoriščamo tudi za raznolike bazične poskuse v funkcijski genomiki, ki skuša na podlagi preučevanja genov in njihove funkcije med drugim razložiti fiziološke in patološke procese na nivoju izraženih produktov v celici. Pri tem se opira na raziskave, ki preučujejo specifike interakcij med proteini in gensko informacijo.

Bakterijski virusi so se izkazali tudi kot uporabni sistemi za usmerjeno molekularno evolucijo proteinov in vitro. Ta je usmerjena tudi v iskanje novih molekul, ki jih lahko uporabimo pri različnih zdravljenjih, ali pa, če spomnimo na nedavne napredke v naravovarstveni aplikaciji biotehnologije, v snovanje takšnih encimov, ki bi učinkovito razgrajevali stabilne polimere v odsluženi plastiki.

Perfume Genius – Whole life

Poslušate Frequenzo della Scienzo na 89,3 MHz. Znanstvena redakcija Radia Študent vam tokrat predstavlja bakteriofage ali viruse, ki napadajo bakterije. Zaradi njihove enostavne zgradbe so jih znanstveniki in znastvenice uporabili za razvoj novih terapevtikov. Ena izmed metod, ki se jih pri razvoju takšnih učinkovin raziskovalci poslužujejo, je usmerjena molekularna evolucija. 

Pri usmerjeni molekularni evoluciji posnemamo naravne evolucijske procese, vendar s to razliko, da skušamo doseči spremembe na nivoju preučevanega dednega materiala in proteinov v laboratoriju. Za takšen razvoj molekul pa moramo reproducirati ravno tista pogoja, ki sta temelj evolucije organizmov v naravi: najprej mora biti v populaciji prisotna zadostna raznolikost v dednem materialu, potem pa izvajamo še selekcijski pritisk, s čimer favoriziramo klone z neko bistveno preživetveno prednostjo. To boljšo lastnost pa bakteriofagi prenašajo tudi v nadaljnje generacije.

Ena od metod za selekcijsko zorenje proteinskih molekul je predstavitev na bakteriofagu, o kateri nam bo več povedal profesor Bratkovič:

Izjava

Knjižnično zbiranje nebroja virusnih delcev, ki nosijo informacijo o zelo raznolikih proteinih, je uporabno pri preučevanju interakcij med proteini in drugimi vezavnimi molekulami, na primer onesnažili, ligandi v biološkem vzorcu ali tarčnimi spojinami pri razvoju zdravilnih učinkovin. Več o delu s knjižnicami je pojasnil doktor Bratkovič:

Izjava

Profesor Bratkovič je tudi natančneje pojasnil tipični postopek za pripravo takšne knjižnice:

Izjava

Zaradi stabilnosti pa lahko bakteriofage enostavno shranjujemo v hladilniku, če le poskrbimo, da iz knjižnic odstranimo encime, ki bi razgradili na površini prikazane proteine. Za shranjevanje na daljši rok je primernejše zamrzovanje pri temperaturah tja do minus osemdeset stopinj Celzija. Zamrzovanje nujno izvajamo v prisotnosti krioprotektantov, ki med zamrzovanjem preprečujejo nastajanje ostrih kristalov vode – ti bi lahko povzročali poškodbe in pokanje virusnih delcev.

Po krajšem premoru se vračamo v mikroskopski svet biotehnologije virusov in k uporabi bakteriofagov za iskanje novih učinkovin, tarč, protiteles in nukleinskih kislin, zato ostanite ob svojem najljubšem tranzistorskem sprejemniku in najljubši frekvenci 89,3 MHz.

Le Serpentine – Z lahkoto

Pozdravljeni nazaj! Vstopite z nami zopet v resonanco z virusno frekvenco znanosti na 89,3 MHz. V nadaljevanju bomo izskočili iz reaktorskih posod in mikrotitrskih ploščic ter se še podrobneje podučili o uporabnosti bakteriofagov in predstavitve na bakteriofagih. Profesor Tomaž Bratkovič je izpostavil naslednje lastnosti predstavitve na bakteriofagu:

Izvaja

Če se lahko torej izognemo silnemu trpežu dolga tisočletja trajajočih procesov naravne evolucije molekul, pa nas je zanimalo tudi, koliko časa traja vzpostavitev želenega selekcijskega poskusa v laboratoriju in kakšno opremljenost zahteva.

Izjava

Ali so dostopne tudi komercialne knjižnice bakteriofagov in kdaj bi bile lahko uporabne?

Izjava

Ali je možna tudi uporaba drugih ekspresijskih sistemov za prikaz proteinov na površini celic? Kakšne so prednosti uporabe bakteriofagov?

Izjava

Možna je tudi uporaba sesalskih celic, a so za razliko od bakterijskih celic in celic kvasovk zelo občutljive, ker nimajo celične stene. Po krajšem premoru se vračamo k uporabnosti bakteriofagov pri reševanju raznolikih raziskovalnih izzivov. Ostanite na valovih, ki butajo s frekvenco 89,3 MHz.

The B-52's – Private Idaho

Pozdravljeni zopet v oddaji Frequenza della Scienza na valovih Radia Študent. V zadnjem delu oddaje o uporabnih virusih bomo spregovorili o različnih raziskavah in uporabah tehnologije predstavitve na bakteriofagih. Pokukajmo najprej v laboratorije katedre za farmacevtsko biologijo na Fakulteti za farmacijo, kjer deluje profesor Bratkovič.

Izjava

Katere pa so še druge aplikacije bakteriofagov?

Izjava

Pred koncem smo še preizkusili svoje razumevanje molekulske evolucije na primeru protiteles. Za protitelesa je značilno, da se po prvem stiku z antigenom regije za vezavo teh antigenov na protitelesu še dodatno modificirajo. V tem procesu, ki ga imenujemo tudi zorenje afinitete, nastanejo protitelesa, pri katerih je jakost vezave na antigen tudi ob zgolj rahlih strukturnih prilagoditvah za nekajkrat povečana, kar pomeni učinkovitejši imunski odziv ob ponovnem stiku s kužnim delcem. Nekaj podobnega počnemo ravno pri evoluciji proteinov s predstavitvijo na bakteriofagu.

Izjava

S tem se današnja oddaja tudi počasi zaključuje. Podučili smo se o bakterijskih virusih, ki so široko uporabni tako pri razumevanju interakcij med biološkimi molekulami v celici kot za načrtovanje novih terapevtskih poti. Z uporabo knjižnice bakteriofagov lahko selekcioniramo takšne molekule, ki imajo za nas pomembno lastnost, kasneje pa jih lahko še dodatno izboljšamo z molekulsko evolucijo.

Zorenje afinitete do bakteriofagov je začutil Luka.

Obsežne indekse bakteriofagnih knjižnic je uredila Zarja.

Lektoriral je Žiga.

Brala sva Rasto in Pia.

Tehniciral je Linč.