A fehérjesebészet, fehérjeszobrászat (idegen szóval protein engineering) tudománya ma már lehetővé teszi, hogy igényeink vagy éppen kedvünk szerint megváltoztassuk az ismert fehérjék szerkezetét, és egy másik, rokonszerű fehérjévé alakítsuk át. Annak érdekében tesszük ezt, hogy működésüket megértsük, majd úgy módosítsuk őket, hogy azok a természetestől eltérő körülmények között, ipari és gyógyászati célra is felhasználhatók legyenek. Hamarosan olyan fehérje is létrehozható lesz, amelynek szerkezete és biológiai tulajdonságai alapvetően eltérnek az eddig ismert természetes fehérjékétől.
Maguk a fehérjék évmilliárdos szüntelen kísérletezés, az evolúció eredményei. Szerkezetük röviden így jellemezhető: különböző hosszúságú peptidlánc húsz eltérő tulajdonságú aminosavat kapcsol változatos sorrendbe. A peptidgerinc szakaszonként spirális (alfa-hélix) vagy lemezes (béta-lemez) struktúrát vehet fel, s ezek egymással különböző formákba rendeződnek. A fehérjék tökéletes működéséhez „mindössze” ennyi kell. A fehérjealkotó aminosavak közül az aszparagint 1806-ban vonták ki és azonosították a spárga, az aszparágusz nedvéből. Innen származik az aszparagin elnevezés. Ezt követően az aminosavak nagy részét a fehérjék savban vagy lúgban való főzése során izolálták a XIX. században, illetve a XX. század első negyedében. A kutatásnak ebben a korai periódusában a „lebontó”, analitikus módszer dominált. A húsz fehérjealkotó aminosav egyedi karakterét a központi, úgynevezett alfa-szénatomon elhelyezkedő oldallánc határozza meg. Közös szerkezeti sajátságuk az ugyancsak az alfa-szénatomhoz kapcsolódó lúgos karakterű aminocsoport és a savas karakterű karboxilcsoport.
Csaknem egy évszázaddal előzte meg a DNS felfedezését a fehérjék izolálása és szerkezetük felderítése – részben az élő szervezetben való lényegesen nagyobb előfordulási arányuk miatt. Wilhelm Friedrich Kühne berlini professzor 1867. évi kísérlete ma már tudománytörténeti esemény. Abból a korábbi feltevésből kiindulva, hogy a hasnyálmirigynek szerepe lehet a táplálék emésztésében, kutya hasnyálmirigyéből készített kivonatba főtt tojást helyezett. A kemény tojás súlya, amelyet patikamérlegen folyamatosan ellenőrzött, lassan csökkent, mivel a tojás fehérjéjét, az ovalbumint fehérjebontó enzimek: proteázok oldották fel. Ez a kísérlet tekinthető az enzimműködés talán első kísérleti igazolásának. A hasnyálmirigyből Kühne kivonta az egyik fehérjeoldó képességű fehérjét, s azt tripszinnek nevezte el. A fehérjeszerkezet felderítésében fontos szerepe volt a kémiai peptidszintézisnek, amely tisztázta a XIX. és XX. század fordulóján az aminosavak közötti kapcsolat kémiai természetét. A fehérjeláncot alkotó, egymással szomszédos aminosavak általános kapcsolódási elvének, a peptidkötésnek a felfedezése az 1900-as évek elején Emil Fischer és Franz Hofmeister nevéhez fűződik.
A fehérje- és peptidkutatás nem egy nemzetközileg is elismert magyar tudóssal büszkélkedhet. A fehérjéknek azt a tulajdonságát, hogy savakkal és lúgokkal is képesek sót alkotni, Bugarszky István írta le először 1898-ban. Ivanovics György és Bruckner Győző 1937-ben izolálták lépfenebacilus tokanyagából az anthrax-polipeptidet, amelyről Bruckner Győző tanítványai később bebizonyították, hogy kémiai felépítését tekintve a gamma-poli-D-glutaminsavval azonos. A magyar peptidkémia számos jelentős eredménye és magas színvonala erre a felfedezésre vezethető vissza. Szent-Györgyi Albert szegedi iskolájának legkiemelkedőbb teljesítménye az izomrostok fő alkotó fehérjéinek, a miozinnak és az aktinnak a felfedezése volt. Az utóbbi Straub F. Brunó nevéhez kötődik.
A fehérjeszintézis az élő sejt működésének rendkívül bonyolult, kivételes ötletességgel szervezett folyamata. Nem lehet eléggé csodálni a leleményt, amellyel a mindössze négy bázisból felépülő hírvivő RNS (ribonukleinsav) utasítást ad a 20 aminosav sorrendjére vonatkozóan. A leolvasási keretet és a szomszédos aminosavak karboxil-, illetve aminocsoportjai közötti peptidkötés kialakulását a fehérjeszintézis legfontosabb sejtszervének, a riboszómáknak a szerkezete és dinamikája biztosítja. A leváló peptidlánc spontán feltekeredésének első mozzanataként létrejönnek a szerkezeti motívumok: a béta-lemezek és a helikálisok. Ezek összerendeződése vezet a fehérjék bonyolultabb, harmadlagos szerkezetének kialakulásához.
A hemoglobintól és néhány más kivételtől eltekintve a fehérjék színe fehér, gondoljunk csak a kemény tojás fehérjéjére. Alakjuk és szerkezetük azonban hihetetlenül változatos. Ezért mondhatjuk mégis, hogy világuk „színes”.
A legnépesebb fehérjecsoportot az enzimek alkotják. Olyan katalizátorokról van szó, amelyek az élő szervezet számára fontos és termodinamikailag is lehetséges reakciókat meggyorsítják. A proteázok szubsztrátja (vagyis az átalakítandó fehérje) az enzim beszédes nevű aktív helyén, a szubsztrátkötő zsebében „esik csapdába”, s a kötődés eredményeképpen kapcsolatba kerül annak katalitikus aminosavaival, amelyek aztán elhasítják a zseb által felkínált peptidkötést. Hasonló szerkezeti elv alapján kötődnek a kötőzsebbe a szubsztrátokkal analóg szerkezetű, ám azokkal vetélkedő, kompetitív inhibitorok, amelyek nem vagy kevéssé hasadnak, és elfoglalják a kötőzsebet.
A kutatók eddig úgy vélték, hogy ezeket a mozzanatokat – a szubsztrát hasadását vagy a kompetitív inhibitor kötődését – nem kíséri szerkezetváltozás sem a proteázban, sem az inhibitorban. Újabb vizsgálatok – köztük Gráf László szerin-proteázokkal és inhibitoraival végzett kutatásai – megkérdőjelezik ezt a nézetet. Igazolódni látszik Straub F. Brunó 1964-ben megfogalmazott hipotézise, mely szerint egy enzim szerkezete különböző, kismértékben eltérő konformációk között ingadozik, s a működés közben egyik vagy másik szerkezeti forma átmenetileg stabilizálódhat. A proteázok és a velük kölcsönhatásba lépő inhibitor számos esetben drámai és jól követhető szerkezetváltozáson megy keresztül.
Gráf professzor kizárólag olyan fehérjeátalakítási módszerekről szólt a Mindentudás Egyetemén, amelyek csak a fehérjeláncot alkotó húsz természetes aminosav sorrendjét vagy a lánc hosszát változtatják meg. Mint a bevezetőben már szó volt róla, a természet a legleleményesebb szobrász. A harminc–harmincöt aminosavnál kisebb méretű peptidhormonok „létrehozásának” például az a természetes útja, hogy a riboszómákon szintetizálódó nagyméretű fehérjék, a prekurzorok – proteázok közreműködésével – biológiailag aktív peptidekké töredeznek szét.
Valószínűnek látszik, hogy az első sikeres fehérjeátalakítási kísérletet magyar biokémikus, Polgár László végezte 1966-ban. Ekkor még génsebészetről álmodni sem lehetett. Polgár egy Bacillus subtilis nevű baktérium által termelt szerin-proteáz: a szubtilizin szerkezetét módosította oly módon, hogy annak enzimatikus tulajdonságai is megváltoztak. Az enzim katalitikus szerinjét (e miatt a reaktív szerin miatt nevezzük az ilyen típusú proteázokat szerin-proteázoknak) kémiai módszerrel ciszteinné alakította át. A keletkezett enzimmutáns neve tioszubtilizin.
Napjainkra a rekombináns DNS-technika vált a fehérjeszobrászat általánosan használt módszerévé. Lényege az, hogy azt a gént, pontosabban a gént magában foglaló DNS-szakaszt, amelyről fehérjét szeretnénk termeltetni, kivágjuk a kromoszóma eredetű DNS-ből. A kivágott gént beépítjük egy plazmidba: a baktériumokra jellemző, kör alakú DNS-darabkába, amely a gazdasejtben (például E. coliban) szaporodni képes. Fontos, hogy a gént olyan szabályozó elemek mögé kell illeszteni, amelyek biztosítják a fehérje plazmiddal való termeltetését a gazdasejtben. A génben, mielőtt bejuttatnánk a gazdasejtbe, géntechnológiai módszerekkel elvégezzük a fehérjeszerkezet kívánt átalakításához vezető beavatkozást. „A két hasonló szerkezetű, de eltérő specifitású szerin-proteáz: a tripszin és a kimotripszin szerkezeteinek összevetése a 80-as évek közepén azt sugallta – idézte fel kutatását Gráf László –, hogy a tripszin kimotripszinszerű proteázzá való átalakítása megoldható, ha a tripszin-kötőzseb alján lévő aszparaginsavat szerinre cserélik.” A tripszin-mutáns azonban, amelyet a professzor San Franciscó-i tanulmányútjáról hazatérve már Budapesten hozott létre munkatársaival, inaktívnak bizonyult. További vizsgálódások nyomán kiderült, hogy a kötőzsebet magában foglaló aktivációs domén plaszticitásának lehet szerepe a proteáz működésében. Maga az aktivációs domén a hasnyálmirigyből származó szerin-proteázoknak az a mintegy 45 aminosavból álló szerkezeti egysége, amely az inaktív enzim aktiválódása során szerkezetváltozáson megy keresztül. A tripszin aktivációs doménjének módszeres, kimotripszinszerű aktivációs doménné való átalakításával sikerült az enzim fajlagosságát kimotripszinszerűvé változtatni.
A mai mosóporok nélkülözhetetlen alkotóeleme a Bacillus subtilis baktériumból származó proteáz, a szubtilizin, amelyet Polgár László kísérlete kapcsán már említettünk. A mosáshoz azonban nem a természetes enzimet használjuk, hanem annak fehérjeszobrászati módszerekkel átalakított változatait. Tekintettel arra, hogy a mosópor a proteázon kívül oxidáló részeket is tartalmaz, a szubtilizin egyik könnyen oxidálódó aminosavát az oxidációnak ellenálló aminosavra kellett cserélni. A mosás magas hőmérséklete és lúgos körülményei miatt ezt követően is további szerkezetmódosításokra volt szükség: növelni kellett a szubtilizin hőstabilitását és pH-optimumát, vagyis a lúgtűrését.
A szívinfarktus és tüdőembólia kezelésének egyik módja az, hogy az elzáródó erekbe került vérrögöt úgynevezett szöveti plazminogénaktivátorral (TPA) oldják fel, amelyet intravénásan juttatnak be. A plazminogénaktivátor az erekben jelen lévő inaktív plazminogént egy aktív proteázzá: plazminná alakítja át, amely feloldja a vérrögöket alkotó fibrint. Ma már a természetes TPA számos, fehérjesebészeti úton módosított változatát használják. Az egyik ilyen módosulatban például elrontották azt a kötőhelyet, amelyhez a TPA természetes inhibitora kötődik. Ezzel sikerült növelni a vérbe juttatott módosított TPA aktivitását, ily módon a kezelés hatékonyságát is.
A növekedési hormont a Kínából Amerikába emigrált fiatal kutató, Choh Hao Li és mestere, H. M. Evans professzor fedezték fel a negyvenes évek elején. Choh Hao Li számára ez életre szóló élménnyé vált. Később megkapta a San Franciscó-i Egyetem Hormonkutató Intézetének igazgatói székét, s egész életében az agyalapi mirigy, a hipofízis hormonjainak izolálásával, szerkezetük felderítésével és kémiai szintézisével foglalkozott. Ám kedvenc témája továbbra is első szerelme, a növekedési hormon maradt. Gráf László szerencsésnek mondja magát: két ízben is, 1972–1973 és 1980–1981 között dolgozhatott Li laboratóriumában, s 15 közös publikációjuk volt (!), ebből hat a növekedési hormonnal foglalkozik.
A növekedési hormon egyik alkalmazási területe a hipofízis eredetű törpeség gyógyítása, a testméret növekedési hormonnal való növelése. Mivel az emberre csak az emberi eredetű hormon hat, a rekombináns hormon létrehozását megelőző időkben természetes, emberi hipofízisből származó hormont használtak. Az se jó, ha túl sok van a növekedési hormonból. Túltermelődése a hipofízisben akromegáliás tünetekhez vezet (felnőttkorban megnő a kéz- és lábfej, az orr, az áll, megnagyobbodnak a belső szervek). Nemrégiben a növekedési hormon és növekedésihormon-receptor klónozása, majd a hormonreceptor komplex szerkezetvizsgálata olyan antagonista hatású hormonkészítmények tervezéséhez és gyártásához vezetett, amelyek az akromegália gyógyítására használhatók.
A fehérjeszobrászat legperspektivikusabban és legdinamikusabban fejlődő ágazata a szelektív hatású ellenanyag-tervezés és -gyártás. Az egyes szöveti elváltozásokban – például rákban – megjelenő káros fehérjék ellen jelenleg egérben termeltetnek ellenanyagot. Ezt az ellenanyagot azonban „humanizálni” kell a fehérjeszobrászat eszközeivel (rekombináns DNS-technikával) ahhoz, hogy allergiás reakció kiváltásának veszélye nélkül lehessen beadni emberbe.
Az eddig felsorolt tudományos eredményekből is következik, hogy a biotechnológiai ipar rohamos fejlődésnek indult. A fehérjeszobrászat részesedése a biotechnológiai ipar tőkepiacán egyelőre ugyan szerény, szerepe azonban egyre növekszik, arányosan azzal, ahogy tudásunk gyarapszik a fehérjék szerkezete és funkciója közötti kapcsolatról. A DNS klónozása beláthatatlan veszély forrása volt mindaddig, amíg alkalmazását nem tette biztonságossá a tudomány. A rekombináns DNS-technika körül a hetvenes években kialakult félelem mára jobbára elcsitult. A fehérjékkel kapcsolatban több a nehézség, mint a félsz, s ahol hiányzik a bizonyosság, ott talaja van az aggodalomnak. Még nem jöttünk tisztába a fehérjelánc feltekeredésének mechanizmusával. Pedig ez kulcskérdés az Alzheimer-kórban és más betegségekben megjelenő plakkok kialakulása vagy például a prionok működése tekintetében. A fehérjelánc elsődleges szerkezetéből még nem tudjuk biztonsággal megjósolni e biológiailag aktív fehérjék pontos szerkezetét, és azt sem, hogy mi a kór kialakulásának oka és pontos mechanizmusa. A szerkezet és a funkció kapcsolatának hiányos ismerete még nagyban korlátozza a fehérjeszobrászat térhódítását, megfejtése azonban már nem sokáig várat magára.
A fenti szöveg a november 28-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata. Az előadás megtekinthető december 3-án 10.40-kor a Duna Tv, december 4-én 10 órakor az M 1, valamint december 4-én 23.10-kor az M 2 műsorán. A következő előadást december 5-én 19.30-kor a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kozma László termében (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2.) Kornai János tartja Kelet-Közép-Európa nagy átalakulása – Sikerek és csalódások címmel.
Ki miben mindentudós?
A Mindentudás Egyeteme a Magyar Tudományos Akadémiával és a Magyar Telekommal karöltve új, középiskolásoknak szóló vetélkedősorozatot indított útjára 2005 márciusában. A verseny webes selejtezőkkel kezdődött, amelyen hét héten keresztül feladatlapokat kellett megoldanunk a Mindentudás Egyetemén elhangzott előadásokkal kapcsolatban. 236 csapat nevezett be a versenyre az ország minden tájáról. Közülük csak az első 60 mehetett tovább a regionális döntőkre, élő megmérettetésre, amelyeket szeptemberben és októberben bonyolítottak le – hat fordulóban – Balatonkenesén. Mindegyik fordulóból két csapat jutott be a középdöntőbe. Az elődöntőket a Magyar Televízió is közvetíteni fogja, ezért a bejutott 12 csapat számára ötnapos médiatábort tartottak szintén Balatonkenesén. Az egy hét alatt kommunikációs és prezentációs tréningeken vettünk részt. A színes programok alatt jobban megismerhettük a csapatokat, egymást, és új barátságokat is köthettünk. A szervezők minden csapatot megajándékoztak egy digitális videokamerával, amellyel bemutatkozó filmet készítettünk. Házi feladatot is adtak: a kamera segítségével az elődöntőre kisfilmet kell forgatni előre megadott témában. Az elődöntőt – amelyre nagy izgalommal készülünk – november végén közvetítik. Adásonként három csapat mérkőzik meg egymással, és mindig egyetlen csapat jut tovább a döntőbe.
Mi is ott leszünk, az iskolánkról elnevezett Boronkay-csapat, amelynek tagja a négy fiatal mindentudó: Szlovák Edina, Lám István, Laki Balázs és Hugyecz Ádám.
