Jednostavno rečeno
Istraživači su napravili digitalni model sićušne bakterije koja koristi sunčevu svjetlost. Model prati šta se u njenoj unutrašnjosti mijenja dok se smjenjuju svjetlo i tama. Otkrio je kako jedan protein privremeno zaustavlja dio procesa potrebnih za rast, a ponovo ih pokreće kad se svjetlost vrati. To bi jednog dana moglo pomoći u proizvodnji korisnih materijala.
Zašto nije dovoljno samo snimiti ćeliju?
Mikroskopski snimak može pokazati kako ćelija izgleda u određenom trenutku, dok mjerenje aktivnosti gena ili proteina otkriva koliko su pojedini dijelovi aktivni. Ipak, ako se svaki od tih podataka proučava zasebno, dobija se samo dio priče. Promjena u količini ili aktivnosti nekog proteina sama po sebi ne govori gdje se on nalazi, niti objašnjava kako je povezana s radom drugih enzima i reakcijom ćelije na promjene u okolini.
Vrijednost novog modela leži u tome što objedinjuje različite slojeve informacija. Jedan sloj prikazuje dijelove ćelije i njihov raspored u trodimenzionalnom prostoru, a četvrta dimenzija je vrijeme: model prati kako se stanje tih dijelova mijenja kada ćelija iz tame pređe na svjetlo ili kada se svjetlo ugasi. Zato ovaj rad ne nudi samo nepokretnu sliku ćelije, nego pokušava prikazati kako se mijenja njen unutrašnji rad.
Ovakvo povezivanje podataka važno je zato što ćelija nije skup dijelova koji rade nezavisno jedni od drugih. Hvatanje svjetlosti, stvaranje proteina i pretvaranje ugljendioksida u organske spojeve povezani su s upravljanjem ćelijskim resursima. Kada se osvijetljenost promijeni, različiti odgovori moraju biti usklađeni. U suprotnom, neki procesi mogli bi se nastaviti i kada nema dovoljno energije, ili bi se mogli pokrenuti sa zakašnjenjem nakon što se vrate povoljni uslovi.
Od bakterije MED4 do digitalnog modela
Istraživački tim odabrao je Prochlorococcus marinus MED4, sićušnu bakteriju koja koristi sunčevu svjetlost. Ovaj soj služi kao model za proučavanje osnovnih procesa u ćelijama koje obavljaju fotosintezu. Cilj nije bio napraviti samo lijepu sliku ili nacrtati ćeliju, nego izraditi njen digitalni prikaz koji obuhvata važne strukture i molekule te omogućava praćenje njihovog kretanja i međudjelovanja u prostoru i vremenu.
Da bi prikazali unutrašnju građu ćelije, istraživači su koristili krioelektronsku tomografiju. Ovom tehnikom ispituju se zamrznute ćelije kako bi se dobile precizne trodimenzionalne slike i odredio položaj različitih struktura. Na osnovu snimaka mogli su ucrtati dijelove povezane s hvatanjem svjetlosti, proizvodnjom proteina i vezivanjem ugljika. Taj korak je važan jer položaj molekula može uticati na to koliko lako dolazi u kontakt s drugim molekulima, a ne samo na to da li je prisutan u ćeliji.
Međutim, sama građa ne pokazuje kako se ćelija ponaša kada se osvijetljenost promijeni. Zato je tim prikupio vremenski raspoređena mjerenja aktivnosti gena i proteina, usklađena tako da se događaji u ćeliji mogu međusobno uporediti. Proučavane su bakterijske kulture koje su iz tame prebačene na svjetlo, kao i one koje su sa svjetla prešle u tamu. Uz njih su praćene i kulture koje su cijelo vrijeme ostale na svjetlu ili u tami.
Takvo poređenje pomaže da se odvoji odgovor koji je neposredno povezan s promjenom osvjetljenja od promjena koje bi mogle zavisiti od unutrašnjeg biološkog ritma ćelije. Ako se neka promjena pojavi nakon uključivanja svjetla, ne može se odmah zaključiti da ju je izazvalo samo svjetlo; vrijeme njenog nastanka možda je povezano i s unutrašnjim ritmom. Uključivanjem kultura koje su ostale u nepromijenjenim uslovima istraživači su mogli ispitati i te mogućnosti, umjesto da porede samo dva uzastopna stanja.
Potom su slike strukture i vremenska mjerenja spojeni s računarskom simulacijom zasnovanom na fizičkim principima. Za simuliranje aktivnosti molekula u različitim dijelovima ćelije korišteni su obimni računarski resursi. Jedan od izazova bio je povezati podatke različite prirode: neki opisuju položaj, drugi prate promjene molekula, a treći procjenjuju njihova međudjelovanja. Simulacija omogućava da se ti podaci posmatraju kao dijelovi istog sistema, a ne kao odvojeni skupovi informacija.
Mali protein koji privremeno zaustavlja čitav proces
Jedno od najvažnijih otkrića analize odnosi se na ulogu proteina CP12 u regulaciji vezivanja ugljika. U tom procesu ćelija pretvara ugljendioksid u spojeve na bazi ugljika koji su joj potrebni za rast. U njemu učestvuje više enzima, pa je važno uskladiti vrijeme njihovog djelovanja s količinom energije koju ćelija dobija od svjetlosti.
U mraku se CP12 može povezati s dva enzima koji učestvuju u vezivanju ugljika. Zajedno stvaraju kompleks koji su istraživači nazvali tamnim kompleksom. On drži ta dva enzima neaktivnim i tako ograničava dijelove procesa vezivanja ugljika kada nema energije iz svjetlosti. Ćelija se, dakle, može prilagoditi bez čekanja da proizvede čitav novi skup proteina: ona privremeno mijenja rad enzima koje već ima.
Kada se svjetlost vrati, u CP12 i enzimima nastaju hemijske promjene. Kompleks se tada razdvaja, a enzimi izlaze iz neaktivnog stanja. Ćelija tako može ponovo početi stvarati spojeve potrebne za rast. Ovaj mehanizam pokazuje kako se odgovor može odvijati brzo: ćelija najprije ne mora mijenjati upute u genima i čekati da se proizvedu novi proteini, već može promijeniti stanje molekula koji su već prisutni.
To ne znači da regulacija gena nije važna. Naprotiv, model pokazuje da ćelija može kontrolisati svoje procese na više nivoa. Promjene aktivnosti postojećih enzima omogućavaju brz odgovor na naglu promjenu svjetlosti, dok promjene u aktivnosti gena utiču na stvaranje proteina i druge procese za koje je potrebno više vremena. Ćelija tako može objediniti neposredan odgovor i šire prilagođavanje uslovima koji se mijenjaju.
Raspored u ćeliji također je važan
Model nije otkrio samo hemijske reakcije i promjene u aktivnosti proteina. Pokazao je i da raspored proteina i drugih struktura unutar ćelije može pomoći da se ublaže posljedice slučajnih odstupanja u aktivnosti molekula. Na veoma maloj skali reakcije se ne odvijaju uvijek istom brzinom niti u potpuno predvidivom trenutku. Takva odstupanja mogu uticati na tok životnih procesa.
Kada se uzme u obzir gdje se pojedini dijelovi nalaze, moguće je ispitati da li njihov prostorni raspored doprinosi stabilnosti ćelijskih funkcija. To ne znači da ćelija može u potpunosti ukloniti slučajna odstupanja. Rezultati ukazuju na to da njena građa i raspored sastavnih dijelova mogu smanjiti njihovu jačinu i uticaj na ukupni rad. Tu se vidi zašto je korisno povezati strukturne snimke s podacima koji se mijenjaju: prostor nije samo pozadina ćelijskih procesa, nego može pomoći da se objasni kako se njihove reakcije usklađuju.
Ova ideja povezana je i s ravnotežom između energije i rasta. Odgovor na svjetlost ne svodi se samo na uključivanje ili isključivanje jednog procesa. Ćelija mora održavati stabilnu aktivnost i dok se uslovi mijenjaju. Povezivanjem hemijske regulacije s rasporedom dijelova u ćeliji, model omogućava da se istraži kako ona održava svoj rad uprkos promjenama u signalima i molekularnim procesima.
Alat za razumijevanje ćelija i planiranje istraživanja
Model istraživačima daje okvir koji mogu proširivati i koristiti za ispitivanje novih pitanja. Umjesto da se svaki dio ćelije mjeri zasebno, simulacija može ukazati na moguće veze među različitim dijelovima, a zatim pomoći da se osmisle eksperimenti kojima bi se te veze provjerile. Simulacija ne zamjenjuje laboratorijska mjerenja: oslanja se na njih, a najkorisnija je kada se njena predviđanja mogu uporediti s onim što se zaista događa u različitim uslovima.
Ovaj pristup posebno je vrijedan zato što izrada sveobuhvatnog modela zahtijeva eksperimentalne podatke koji pokazuju šta ćelija radi tokom vremena. Usklađivanjem mjerenja u uporedivim vremenskim tačkama tim je mogao ispitati kako model reaguje na promjenu osvjetljenja i uzeti u obzir unutrašnje procese koje je teško izdvojiti jednim eksperimentom ili jednom vrstom mjerenja. Prateća baza podataka mogla bi poslužiti kao polazište za buduća istraživanja ili za prilagođavanje ovog pristupa drugim mikroorganizmima koji koriste svjetlost.
Dugoročno, bolje razumijevanje načina na koji ove ćelije reaguju moglo bi unaprijediti biotehnologiju, sintetičku biologiju i bioproizvodnju. Mikroorganizmi mogu proizvoditi gorivo, hemikalije i druge korisne materijale, ali njihovo usmjeravanje ka proizvodnji ne zavisi samo od toga da znamo šta mogu stvoriti. Potrebno je razumjeti i kako održavaju stabilnu aktivnost kada im se okolina mijenja. Za sada je riječ o mogućnosti za buduća istraživanja, a ne o gotovom industrijskom rješenju koje je ovaj model već ponudio.
Istraživanje je podržao Program virtualnog istraživačkog okruženja za biološku spremnost Ministarstva energetike Sjedinjenih Američkih Država, u okviru Ureda za nauku i Programa za biološka istraživanja i istraživanja okoliša. Dio rada obavljen je uz korištenje resursa Laboratorije za molekularne nauke o okolišu pri Pacific Northwest National Laboratory. Računarski rad podržali su nagrada Leadership-Class Computing Challenge za napredno računanje i naučna istraživanja za 2024. godinu te Tahoma, računarski sistem visokih performansi pri toj laboratoriji.
Zaključak
Model ćelije Prochlorococcus marinus MED4 omogućava da se fotosinteza posmatra kao proces koji se mijenja u prostoru i vremenu, a ne kao skup nepovezanih reakcija. Tim koji su predvodili istraživači iz Pacific Northwest National Laboratory i University of Illinois Urbana-Champaign povezao je trodimenzionalne snimke, vremenska mjerenja aktivnosti gena i proteina te simulaciju molekularnih procesa. Istraživanje je pokazalo kako CP12 u tami privremeno zaustavlja dva enzima za vezivanje ugljika, a nakon povratka svjetlosti omogućava im da ponovo rade. Ukazalo je i na to da prostorni raspored dijelova ćelije može doprinijeti stabilnosti njenog rada. Ovaj model nije neposredno rješenje za proizvodnju korisnih materijala, ali nudi precizniju osnovu za razumijevanje ćelija koje koriste svjetlost, planiranje novih eksperimenata i istraživanje njihove buduće primjene u biotehnologiji.