Nobelova cena za buněčnou logistiku

Dalo by se to shrnout jedním nehezkým, ale zato módním slovem: jde o logistiku, čili řízení cíleného přesouvání něčeho či někoho odněkud někam. Zatímco v prvních třech případech z běžného života se ono přesouvání odehrává v měřítku kilometrů nebo metrů, letošní nobelisté se zabývali obdobnými ději v prostoru buněčného nitra – tedy na vzdálenosti zpravidla ne větší než zlomky milimetru.

Vnitřek eukaryotních buněk, jako jsou i ty naše, je rozčleněn lipidovými membránami na řadu dílčích vnitřních prostorů a komůrek, nazývaných kompartmenty. Pomocí čilého provozu drobných membránových váčků komunikují kompartmenty jak mezi sebou, tak s buněčným povrchem.

Váčky se plní příslušným obsahem (například bílkovinami a polysacharidy určenými na export do vnějších obalů buňky, ale také třeba nervovými přenašeči) v jednom kompartmentu. Náklad pak prochází případně navazujícími úpravami v kompartmentech dalších a posléze je doručen k místu určení. Zde obal váčku splyne s cílovou membránou.

Přesouvá se samozřejmě nejen obsah váčků, ale i „kontejner“, tedy sama lipidová membrána. Podobně jako v běžném životě, i v buněčné logistice představuje recyklace a opakované využití obalů dosti významnou část celého provozního hemžení.

Vědci, jejichž práce byly letos odměněny Nobelovou cenou, velmi významně přispěli právě k pochopení zákonitostí „váčkového provozu“ buněk – tedy k objevu způsobu, jak váčky se svým zvláštním nákladem najdou správné adresáty uvnitř buňky.

Kam: James Rothman

Jak zajistit, aby zásilka dorazila ke správnému příjemci? V našich krajích jsou od časů Marie Terezie domy očíslovány, odesílateli stačí napsat na balíček adresu i s číslem popisným domu a svěřit zásilku poště, která pak zajistí další. Dokonce i pokud zásilky roznáší brigádník nepříliš znalý místních poměrů, balíček obvykle dojde, protože ulice bývají opatřeny tabulkami a domy jsou (nebo by aspoň měly být) viditelně označeny příslušným číslem.

Ve složitém buněčném prostoru také existuje jakýsi ekvivalent čísel popisných. Místo ruko- či strojopisných záznamů na obalech balíků a tabulek na domech ovšem na transportních váčcích najdeme specifické membránové proteiny (označované zkratkou v-SNARE) a na membránách cílových kompartmentů jiné, i když podobné proteiny zvané t-SNARE.

Poměrně rozsáhlý proteinový aparát, který hraje úlohu pošťáka, porovnává „adresu napsanou na váčku“ (v-SNARE) s „adresou“ (t-SNARE) na cílové membráně. Pokud se „adresy“ shodují, vyvolá tento aparát spárování a následně fyzické propletení příslušných SNARE molekul. Na něj pak navazuje splynutí váčku s cílovou membránou. Zásilka je tím doručena.

Zásadní příspěvek k pochopení molekulárního mechanismu vzájemného rozpoznávání adres na váčcích a cílových membránách, včetně objevu SNARE proteinů samotných, pochází z převážně biochemických laboratoří Jamese Rothmana a jeho spolupracovníků na Stanfordské univerzitě v Kalifornii a Yaleově univerzitě v Connecticutu.

Kudy: Randy Schekman

Představte si nedělní odpoledne na trase Praha–Brno. Dálnicí D1 se bez přestávky šine hustý, ale plynulý proud vozidel – a pak se cosi přihodí. Pozorovatel ve vrtulníku může z toho, jak se začínají vozidla hromadit, velice rychle zjistit, kde přesně problém vznikl, aniž by přitom viděl bezprostřední příčinu (například ty dva pány, kteří nezvládli zipování v zúženém místě kolem staveniště a teď svorně čekají na policii).

Uvnitř buňky samozřejmě žádnou dálnici nenajdeme, najdeme v ní však něco jako koleje či lanovky – vláknité struktury takzvaného cytoskeletu, které slouží jako dopravní tepny pro přesun váčků uvnitř buňky. Přesto není jednoduché určit, odkud kam váčky putují.

Randy Schekman společně s Peterem Novickem a dalšími spolupracovníky z Kalifornské univerzity v Berkeley využili ke zmapování cest provozu váčků experimentální postup, při němž v buňkách kvasinek brzdili různé kroky transportu. Uměle tak vyvolávali „dopravní zácpu“ – hromadění váčků, které bylo možné sledovat mimo jiné v elektronovém mikroskopu.

Pro tento výzkum nejprve připravili mutanty kvasinek, u nichž zvýšená teplota znemožňovala růst a současně narušovala vylučování enzymů navenek (což je činnost pro kvasinku v přírodě dost důležitá – vylučované enzymy jí pomáhají těžit potravu z přirozených zdrojů, jako je padané ovoce). Tyto experimenty velice originálně využily postupů klasické kvasinkové genetiky. Navázalo pak na ně klonování řady genů, které se podílejí na jednotlivých krocích transportu váčků. Jim příbuzné geny byly nalezeny také u člověka či u rostlin.

Kdy: Thomas Südhof

V dnešní bezpečnostními kontrolami posedlé době je nutno přicházet na letiště dostatečně dlouho před odletem. Cestující pak po odbavení desítky minut okounějí v tranzitním prostoru kolem luxusních obchodů, pijí drahou kávu a vůbec se bezcílně hemží, dokud se na obrazovkách nerozsvítí výzva a všichni se spořádaně neodeberou k bráně, kde nastoupí do letadla.

I v buňce nastávají situace (třeba při přenosu nervového vzruchu), kdy musí s cílovou membránou naráz splynout mnoho váčků, a přitom jejich dodávka vázne podobně jako bezpečnostní odbavení na letišti. Váčky se proto musí hromadit v předstihu a s membránou řízeně splynou až po obdržení specifického signálu.

Thomas Südhof je německý rodák, jehož vědecká kariéra začala v Göttingen a pokračovala na druhé straně Atlantiku na Texaské univerzitě a na Stanfordské univerzitě v Kalifornii. Südhof popsal, jak vápník plní v nervových buňkách funkci „výzvy k nástupu do letadla“ – tedy vyvolává hromadné splynutí váčků s nervovými zakončeními a další přenos vzruchu.

Nešlo přitom o jeho jediný příspěvek k pochopení oběhu buněčných membrán. Jako postdoktorand se totiž v laboratořích nositelů Nobelovy ceny z roku 1985 Michaela S. Browna a Josepha L. Goldsteina zabýval transportem lipoproteinů obsahujících cholesterol. Byl dokonce spoluautorem několika „nobelovských“ prací.

Podílel se též na objevu molekulárního mechanismu, který k membránám přichycuje významné regulační proteiny z rodiny takzvaných malých GTPáz. Ty také slouží jako součást molekulárního adresování (již zmíněné bílkoviny SNARE na to samy nestačí) a směrování dopravy v buňce. Jsou důležité i pro čilé přestavby buněčného systému „kolejí“ (vláken cytoskeletu) tak, aby vedly tam, kam je třeba směřovat náklad. Logistika buňky je opravdu živě biologická.