Czasem w ich pracy pomagają komputerowi gracze, czasem rządzi nią przypadek – ale przede wszystkim liczy się praca. Dzięki niej poznańscy krystalografowie należą do światowej czołówki. Wśród nich jest prof. UAM Mirosław Gilski, z którym rozmawia Krzysztof Smura.
Z zespołem naukowców, w którym pan pracował, chyba na zawsze zwiąże się naukowy wątek z 2011 roku. Wtedy to pierwszy raz w historii internetowi gracze w trzy tygodnie rozwiązali ważki problem naukowy. Wykorzystanie ich umiejętności i intuicji zachwyciło świat.
– Wie pan, nie wiem, czy byliśmy pierwsi. Na pewno był to pierwszy taki eksperyment, który zakończył się tak spektakularnym sukcesem – mówiły o nim wszystkie światowe media, z CNN włącznie. Złożyło się na to kilka aspektów. Przede wszystkim sam problem, który był związany z proteazą HIV, jednym z białek tego wirusa, a więc w zasadzie z potencjalnym targetem dla leków przeciwko AIDS. Temat ważny, mocno finansowany. Temat, nad którym pracowaliśmy od wielu lat. Jak pan doskonale wie, prof. Mariusz Jaskólski, z którym od lat współpracuję, był w grupie naukowców, która w 1989 roku rozwiązała pierwszą strukturę proteazy tego retrowirusa. Siedem lat później na podstawie ich pracy został opracowany pierwszy lek przeciwko AIDS. Dla mnie zaszczytem było wejście do tej grupy naukowej. Drugim aspektem był fakt, że problem, nad którym pracowaliśmy ponad dziesięć lat, został rozwiązany przy pomocy tysięcy graczy gry komputerowej...
Jaki był wówczas pomysł na te badania?
– Przede wszystkim wychodziliśmy z założenia, że owo białko, ta proteaza, która miała być targetem leków, w naturze występuje jako dimer. Czyli są dwie połączone cząsteczki, a ich funkcją jest przecinanie białek w procesie reprodukcji wirusa. Jeśli udałoby się zablokować ten enzym, to tym samym wirus przestałby się rozmnażać. Na podobnej zasadzie działały poprzednie leki. Blokowały ów dimer, uniemożliwiając przecięcie. Nasz pomysł był taki, że chcieliśmy poznać cechy jednej części dimeru, jego połówki. To pozwoliłoby na zaprojektowanie leku, który pozwalałby w inny sposób blokować ów dimer, a nawet uniemożliwić jego powstanie na wcześniejszym etapie.
Nie jest łatwo opanować wirusa HIV…
– Oczywiście. Jest on bardzo sprytny. Jego genom składa się z około 10 tysięcy par zasad, które bardzo szybko mutują, dostosowując się do nowych warunków. Leki, które były tworzone przed 2011 rokiem, nie działały już tak dobrze, jak można by się spodziewać. My chcieliśmy przez swoje badania stworzyć nową możliwość projektowania nowych leków.
Kto wpadł na pomysł zaciągnięcia graczy do badań?
– Próbowaliśmy wszystkich możliwych sił i środków. Każdy nowy doktorant czy postdoc dostawał nasz projekt jako pierwszy. Liczyliśmy na ich świeże podejście do tematu. Pomoc przyszła ze Stanów Zjednoczonych. David Baker z Seattle, pionier metod przewidywania i projektowania trójwymiarowych struktur białek, jest z wykształcenia biochemikiem i bioinformatykiem, twórcą oprogramowania, w tym pakietu programów Rosetta. Na uniwersytecie Waszyngtonu w Seattle współpracował z kolegami z Departamentu Gier Komputerowych. Ich „dzieckiem” była między innymi gra komputerowa Foldit, która pozwalała przemycać do systemu modele białek, nad którymi w efekcie męczyli się gracze, tym samym zdobywając punkty i… wspomagając naukę. Gra była bardzo popularna. Czas poświęcało jej grono 300 tysięcy graczy. Był w tym gronie cały przekrój społeczności. Było klikanie i przesuwanie helis, a program w tle obliczał, analizował i przyznawał punkty. Bywało, że ludzie łączyli się w grupy i rywalizowali ze sobą.
Ale gdzie w tym wszystkim nasz „problem”?
– Wysłaliśmy prośbę do Davida Bakera. Prosiliśmy, by zbudował przydatny dla nas model struktury monomeru proteazy retrowirusowej przy użyciu programu Rosetta. Miesiąc później przyszła odpowiedź, że niestety to się nie udało. Baker nie zostawił nas jednak z niczym, bo zaproponował wprowadzenie naszego problemu jako targetu do gry Foldit. Powiedział, że spróbuje podrzucić graczom model tej struktury.
I stało się!
– Stało się. Przez trzy tygodnie nasza struktura była owym targetem. Przez ten czas gracze stworzyli ponad milion modeli.
Niewyobrażalne. Ile lat pracy kosztowałoby zrobienie tego u nas…
– No właśnie. Oczywiście niemal sto procent modeli było nieprzydatnych. Ale okazało się, że trzy lub cztery rozwiązania były na tyle dobre, że jak otrzymaliśmy je z powrotem, to mieliśmy do czynienia z modelami tak dobrymi, że pozwoliły nam przejść do dalszych etapów badań. Wykorzystując nasze wysokiej jakości dane eksperymentalne oraz jeden z modeli, udało się nam rozwiązać tzw. problem fazowy, który uniemożliwia proste „wyliczenie” struktury tylko na podstawie zarejestrowanych danych dyfrakcyjnych. Po udokładnieniu struktury i wielu manualnych korektach modelu otrzymaliśmy niesamowitej precyzji, zgodną z eksperymentem trójwymiarową strukturę badanego enzymu. Tym samym przypisuje się nam – całkiem słusznie – rozwiązanie, udokładnienie i analizę pierwszej struktury monomeru proteazy retrowirusowej przy pomocy modelu zbudowanego przy pomocy gry komputerowej Foldit. Praca wciąż jest cytowana.
Świat się zachwycił i poszedł dalej?
– Gry są nadal wykorzystywane, a crowdsourcing działa w najlepsze. Ludzie dostają do rozwiązania problemy nauki, o których nawet nie zdają sobie sprawy.
Jesteście policjantami PDB (Protein Data Bank). Badacie poprawność struktur białkowych w naukowych bibliotekach…
– Robiliśmy to między innymi w czasie pandemii. Tuż po jej ogłoszeniu, czyli już pod koniec lutego, w bazie PDB były pierwsze struktury kluczowych białek koronawirusa. Przez pół roku ich liczba sięgnęła tysiąca. Tworzone były szybko. Wręcz pośpiesznie. Wszystko po to, by opracować nowe leki. Pobierano je z bibliotek, a niektóre z nich miały błędy. Dzięki współpracy w gronie specjalistów otrzymaliśmy nowe narzędzie, które pomoże lepiej zrozumieć koronawirusa i zagwarantuje poprawność modeli strukturalnych. To efekt działania międzynarodowego zespołu ekspertów pod kierownictwem prof. Mariusza Jaskólskiego. Podjęliśmy się weryfikacji i korekty struktur białek koronawirusa – struktur o podstawowym znaczeniu dla tworzenia leków przeciw COVID-19.
Teraz pana oczkiem w głowie jest asparaginaza?
– Asparaginaza to enzym, którego celem jest rozkładanie aminokwasu asparaginy na asparaginian i amoniak. Od lat 50. używana jest jako bardzo skuteczny lek przeciwbiałaczkowy, lecz ma on niestety wiele skutków ubocznych. Asparagina jest konieczna do funkcjonowania komórek i zdrowe komórki są w stanie ją syntetyzować. Komórki rakowe tego nie potrafią i aby przeżyć, muszą korzystać z asparaginy, która krąży w krwioobiegu. Asparaginaza rozkłada tę asparaginę i komórki rakowe nie mają do niej dostępu. W efekcie obumierają. My badamy taki sam enzym, który ma jednak totalnie inną sekwencję aminokwasową. Pochodzi od pewnej bakterii symbiotycznej spotykanej przy korzeniach roślin. Sytuacja była bardzo podobna jak ze wspomnianą wcześniej strukturą proteazy. Chcieliśmy poznać trójwymiarową strukturę enzymu. Otrzymaliśmy białko, a krystalizacja z kłopotami, ale też się powiodła. Walczyliśmy z tym projektem prawie 20 lat i nie mogliśmy rozwiązać tej struktury. W 2019 roku przyjechała do nas na staż podoktorski dziewczyna z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Sama chciała jeszcze raz wykrystalizować badane przez nas białko, bo nasze kryształy nie były najlepszej jakości. Okazało się, że nie mamy odczynników, które były stosowane wiele lat temu, i nie można już ich zamówić, ale ona znalazła w szafce stare fiolki. Materiał do badań był wyschnięty. Zeskrobała ze ścianki to, co zostało z odczynników, i otrzymała… kryształy! Natychmiast pojechałem z nimi do ośrodka synchrotronowego w Hamburgu, gdzie wykonujemy większość naszych pomiarów dyfrakcyjnych, i jeszcze w czasie pobytu w Niemczech problem, nad którym głowiliśmy się prawie 20 lat, został rozwiązany.
Realizuje się pan również jako dydaktyk.
– Lubię pracować ze studentami, ale trzeba pamiętać, że musimy to pogodzić z pracą naukową. Teraz przykładowo muszę przygotować dwie nowe serie wykładów naukowych, w tym jedną dla studentów zagranicznych. Obecnie prowadzę lub współuczestniczę w sześciu dużych projektach. Skupiam się choćby na wspomnianej asparaginazie. Pochłania mnie też projekt związany z badaniem nietypowych kwasów nukleinowych. Zadań jest mnóstwo, ale dla mnie to wielka naukowa przygoda.
Czytaj też: Prof. Mariusz Jaskólski. Wojna z antybiotykoopornością.
