
Některé živé organismy, asi nejvíce známé světlušky nebo houby zajišťující efekt rozsvícených pařezů, jsou schopné procesu bioluminiscence. Jedná se o vyzařování světla díky oxidaci pigmentu luciferinu za přítomnosti enzymu luciferázy. Při této reakci se vyzařuje až 96 % energie ve formě světla a zbytek pak ve formě tepla. Přeměna energie je tedy velmi efektivní, což již několik desetiletí nedá vědcům spát. Zejména, pokud se zásoby fosilních paliv tenčí a energie je stále dražší.
Brněnští vědci z Loschmidtových laboratoří RECETOX na Přírodovědecké fakultě MUNI popsali inovativní a zároveň udržitelný způsob, jak svítit. Objasnili doposud tajemstvím zahalený mechanismus svícení luciferázy mořského žahavce renily fialové. Svůj výzkum publikovali v online měsíčníku Nature Catalysis.1
Ukázka produkce studeného světla smícháním enzymu luciferázy a luciferinu ve zkumavce v laboratorních podmínkách. Aktuálně však před vědci stojí další výzkumná otázka a to, jak dlouho dokáže enzym svítit bez přerušení. Doposud v laboratorních podmínkách luciferáza rozsvítila zkumavku na 48 hodin.
Obr. Tisková zpráva Recetox, MUNI
V 19. století se Thomas Edison nebál experimentovat a jeho vědecké bádání ho přivedlo k vynálezu žárovky, která způsobila technickou revoluci. Avšak současná energetická krize lidstvo nutí hledat jiné způsoby svícení, které by byly udržitelné a zároveň nezatěžovaly životní prostředí. Inspirací vědcům jsou organismy žijící na dně moří a oceánů se schopností produkce a emise „studeného" světla, tzv. bioluminiscence. Brněnští vědci Martin Marek, Martin Toul a Andrea Schenkmayerová z Loschmidtových laboratoří, ve spolupráci s dalšími vědeckými kolegy, popsali proces svícení enzymy, tzv. luciferázami, a také detailně vysvětlili jeho mechanismus. O objasnění tohoto procesu se vědci z celého světa pokoušeli poslední čtyři desítky let, avšak až brněnští vědci na ukázkovém organismu, jímž byl mořský korál Renilla reniformis, odhalili jeho molekulární podstatu.
„Zdroje naší planety nejsou bezedné. Neustále se používají fosilní paliva, která obnovitelná nejsou, a jejich masivní používání má negativní dopady nejen na globální ekosystém, ale též na lidské zdraví. Luminiscenční enzymy by mohly být používány v našich každodenních životech, a nejen v laboratořích, kde se využívají běžně. A právě tím, že jsme detailně zmapovali bioluminiscenční proces na molekulární úrovni, jsme k tomu zase o několik kroků blíže. Při svícení žárovkou se uvolňuje teplo, zatímco luciferázy teplo neuvolňují a dokážou energii velmi efektivně přeměnit na světlo. Náš objev představuje svítící revoluci," říká Ing. RNDr. Martin Marek, Ph.D., vedoucí výzkumné skupiny Strukturní biologie v Loschmidtových laboratořích, RECETOX.
Vědci objasnili chemické kroky, které jsou klíčové v procesu bioluminiscence. Ukázali, kam a jak se v molekule enzymu váže energeticky bohatý substrát, tzv. luciferin. Pomocí metod strukturní biologie a spektroskopických měření zmapovali enzymatickou oxidaci luciferinu a jeho přeměnu na energeticky bohatý meziprodukt, po jehož rozpadu a dekarboxylaci dochází k emisi viditelného modrého záblesku. Díky pochopení tohoto procesu nyní vědci umí „ladit" enzym tak, aby generoval světlo požadované vlnové délky a s cílenou délkou svícení.
Pomocí metody rentgenové krystalografie se vědcům z Loschmidtových laboratoří podařilo svítící enzym zachytit přímo v akci. Ačkoliv byla struktura samotného enzymu již zmapována dříve, nově brněnští vědci pomocí metody rentgenové krystalografie dokázali tuto strukturu monitorovat i v okamžiku navázání luciferinu, jehož následnou chemickou přeměnou se generuje světlo. A právě to jim umožnilo detailně popsat reakci, ke které v enzymu dochází. Při své práci metodami proteinového inženýrství též zrekonstruovali předka dnešního enzymu luciferázy renily fialové, a tak poodhalili tajemství jeho evoluce z původně nesvítících enzymů.
„Byla to hodinářská práce. Vyvinuli jsme z enzymu několik možných předků a následně jsme je porovnávali. Díky tomu jsme přesněji pochopili, jak se vyvíjeli jeden z druhého a ve kterých aspektech se postupně zdokonalovali až do podoby dnešního enzymu s vysokou intenzitou emise světla. To nám nyní umožní posouvat nové luciferázy ještě dále a jejich svícení ještě více zefektivnit," upřesnil RNDr. Martin Toul proces hledání.
Aktuálně však před vědci stojí další výzkumná otázka a to, jak dlouho dokáže enzym svítit bez přerušení. Doposud v laboratorních podmínkách luciferáza rozsvítila zkumavku na 48 hodin. „Omezením zde zůstává naše neznalost, jakým způsobem živé organismy syntetizují energeticky bohatý luciferin. Tak, jako jaderný reaktor potřebuje palivo ve formě obohaceného uranu, tak i luciferázy pro svůj provoz potřebují palivo, a tím je právě onen luciferin. My jsme si osvojili metody, jak luciferiny syntetizovat chemicky v laboratoři, ale tento proces je pro praktické využití ekonomicky neefektivní. Musíme odhalit biosyntetické dráhy vedoucí ke tvorbě luciferinů a jejich recyklace v buňkách, abychom byli schopni sestrojit geneticky kódovaný a energeticky nezávislý zdroj světla," nastiňuje Martin Marek budoucí cesty výzkumu a hledání investorů, kteří by vývoj těchto technologií podpořili.
Ve světě se již vědci zabývají tím, jak využít bioluminiscenční organismy ke svícení, a zjištění brněnských vědců ve spolupráci s francouzskými kolegy umožní přenést tuto myšlenku do každodenního života.
Zdroj: Tisková zpráva MUNI
Literatura:
1. Schenkmayerová, A., Toul, M., Pluskal, D. et al. Katalytický mechanismus pro luciferázy typu Renilla . Nat Catal (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-022-00895-z
Věděli jste, že...
Pokud se v následujících dnech chystáte do přírody, zpozorněte. Český hydrometeorologický ústav zveřejnil mapu nejvyššího stupně aktivity klíšťat na většině území ČR. Prakticky celé území ČR je od poloviny května v nejvyšším 5. stupni „mimořádné“ aktivity klíšťat. Nejvíce případů klíšťové encefalitidy zatím letos hlásí Moravskoslezský kraj a velké nárůsty na celém území se dají očekávat v květnu. V loňském roce se v celé ČR nakazilo 670 osob, což představuje nárůst o 32 % oproti roku 2023. Riziko přisátí infikovaného klíštěte je extrémně vysoké již i v městských parcích nebo v zahradách a změna klimatu umožňuje klíšťatům přežívat dokonce ve vyšších nadmořských výškách. Pokud ještě nejste očkovaní, je možné využít tzv. zrychlené očkovací schéma – dvě dávky během 15 dnů, při němž ochrana nastu-puje již do jednoho měsíce od prvního očkování. Zdravotní pojišťovny očkování plně hradí lidem nad 50 let, ostatní na něj mohou čerpat příspěvky v rámci preventivních programů pojišťoven.
Festival Mezi ploty před více jak 30 lety (1992) otevřel prostory Psychiatrické léčebny Bohnice, které se dříve podobaly vězení, lidem z ulice i umělcům. Festival plný tance, scének a hudby propojuje širokou veřejnost se zdravotně postiženými a duševně nemocnými a bourá všechny bariéry včetně plotů mezi nimi. Během soboty 24. 5. a neděle 25. 5. vystoupí více než 100 účinkujících. Máte již svoji vstupenku? Vyhrát ji můžete aktuálně i v soutěži na Educommu. Stačí do 18. 5. 2025 vystudovat přednášky z tematické sekce Péče o duševní zdraví pro lékárníky. https://www.educomm.cz/meziploty/
Podle Státního zdravotního ústavu (SZÚ) máme během prvních čtyř měsíců roku více případů infekční žloutenky typu A (450), než bylo celkem za roky 2021 až 2023. Loni bylo evidováno za celý rok 636 případů. Nakažených je ale s největší pravděpodobností mnohem více. Onemocnění hepatitidou A se týká všech krajů, ale nejvíce jich hlásí Středočeský (87), Moravskoslezský (83) a Praha (73 případů). Nemoc se podle SZÚ kromě dětské populace šíří také mezi dospívajícími a mladými dospělými a dále mezi lidmi s rizikovým chováním, především mezi závislými na drogách a mezi lidmi bez domova. Nyní v Praze proto probíhá očkování terénních pracovníků, kteří přicházejí do úzkého kontaktu s osobami žijícími na ulici a uživateli drog. Inkubační doba virové hepatitidy A je 14 až 50 dní, nejčastěji 30 dní. Období nakažlivosti začíná již ve druhé polovině inkubační doby, kdy je již virus přítomen ve stolici, tedy zpravidla jeden až dva týdny před začátkem samotného onemocnění. Základem prevence důsledná hygiena, k dispozici je i očkování. Není povinné ani hrazené, ale řada zdravotních pojišťoven na něj v programech prevence přispívá. Jeho cena se pohybuje kolem 1.700 korun za jednu vakcínu, přičemž k dlouhodobému účinku se doporučují dvě dávky.
Odstartoval další, již 24. ročník prestižní oborové soutěže Sestra roku. Přihlašování kandidátů je možné prostřednictvím webu soutez-sestraroku.cz či e-mailem na registrace@soutez-sestraroku.cz.