Komunikacja to podstawa. Wyobraź sobie tłum ludzi mówiących różnymi językami. Próbujesz przekazać coś ważnego osobie stojącej po drugiej stronie pomieszczenia, ale ścieżki komunikacji prowadzące do tej osoby są jak gra w głuchy telefon – informacja trafiająca do osoby na końcu szeregu jest często zupełnie inna, niż ta pierwotnie zamierzona. 

Podobnie jak dla nas ludzi, odpowiednia komunikacja jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania wszystkich komórek budujących nasze ciało. Podczas rozwoju płodowego, w czasie odpowiedzi na infekcję bakteryjną czy w trakcie tworzenia nowych wspomnień w mózgu – komórki przekazują sobie niezbędne informacje. Kiedy ta komunikacja przestaje poprawnie działać – prowadzi to do nieprawidłowego rozwoju lub chorób.

W jaki sposób informacje są przesyłane w komórkach? 

Komunikacja komórkowa jest głównym zadaniem białek zwanych kinazami. Kinazy działają jak usługa kurierska, dostarczając wiadomości poprzez przyłączenie grupy fosforanowej do swoich białek–odbiorców, cząsteczek–„wykonawców” w komórce. Uzyskanie grupy fosforanowej jest jak wiadomość przekazana białku z instrukcją, co robić. 

W ludzkich komórkach występuje ponad 500 różnych kinaz, a większość z nich może przekazać informację przynajmniej kilku różnym białkom–odbiorcom. Liczba możliwych ścieżek komunikacji jest więc ogromna, a interpretacja komunikacji niesamowicie trudna ze względu na nakładające się efekty. Komórki są więc jak zatłoczone i pełne ścieżek komunikacyjnych miasta, z mnóstwem skrzyżowań i możliwych dróg przejścia z punktu startowego do odległej części „miasta”. Jak w tej gęstej miejskiej dżungli zrozumieć pojedyncze ścieżki? 

W naszym laboratorium opracowaliśmy technikę pozwalającą na ukierunkowanie sygnału – skierowanie komunikacji w komórce na wybraną ścieżkę. Innymi słowy, możemy teraz zdecydować, do którego z wielu potencjalnych białek–odbiorców wysłać informacje. Nasza metoda może pomóc w dokładniejszym zrozumieniu pojedynczych ścieżek koordynujących rozwój organizmu i jego prawidłowe funkcjonowanie, a także ułatwić lepsze poznanie wadliwej komunikacji w złożonych zaburzeniach, takich jak nowotwory. Potencjalnie daje też możliwość stworzenia zupełnie nowych pasm komunikacji w komórce.

Zasada naszego podejścia jest dość prosta. W tym celu połączyliśmy aktywowaną domenę katalityczną wybranej kinazy (to ta część kinazy, która „wykonuje pracę” przekazania informacji – grupy fosforanowej) z małym fragmentem przeciwciała, zwanym nanoprzeciwciałem. Nanoprzeciwciało umożliwia rozpoznanie wybranego białka–odbiorcy na podstawie dodanego mu przez nas znacznika – tutaj: GFP, z ang. białka zielonej fluorescencji (Green Fluorescent Protein) (zobacz rys. 1).

Tak stworzona inżynierowana kinaza ma więc za zadanie preferencyjnie aktywować wybrane białko–odbiorcę, a nie wszystkie białka normalnie podlegające danej kinazie. A tym samym – skierować informację na wybraną ścieżkę pośród skomplikowanej siatki ścieżek. 

Naszym głównym bohaterem jest zarodek muszki owocówki (Drosophila melanogaster) – doskonały model do badania rozwoju zwierząt. Dzięki narzędziom genetycznym dostępnym w muszce, możemy porównać obok siebie komórki, w których produkowana jest nasza inżynierowana kinaza oraz komórki niezmienione, kontrolne.

Wykorzystując zaawansowaną mikroskopię sprawdziliśmy skuteczność naszego podejścia. Oceniliśmy poziom fosforylacji (aktywacji danego białka przez przekazanie mu sygnału przez kinazę) i prześledziliśmy rozwój tkanek i narządów w rozwijającym się zarodku muchy. 

Skupię się tu tylko na jednym wybranym przykładzie. Podczas rozwoju zarodka w larwę muszki, owalna szczelina po grzbietowej stronie zarodka musi zostać zamknięta przez rozciągnięcie komórek nabłonkowych po obu stronach i „zasunięcie” szczeliny niczym suwakiem. Zjawisko to jest ważne nie tylko u muszki – podobne mechanizmy zawiadują gojeniem się ran czy zamykaniem cewy nerwowej w rozwoju płodowym człowieka. W procesy te zaangażowany jest cytoszkielet (dosłownie „szkielet komórkowy”), czyli sieć włókienek, które są niczym rusztowanie komórki, nadają jej kształt, a także umożliwiają ruch komórek.

W naszych badaniach użyliśmy opisanego procesu zamknięcia zarodka jako modelu do sprawdzenia działania stworzonych inżynierowanych kinaz na przykładzie kinazy Rok (ROCK u kręgowców). Udowodniliśmy bardzo skuteczne działanie inżynierowanej kinazy Rok wykazując, że intensywnie fosforyluje wyznakowane białko łańcucha lekkiego miozyny, prowadząc do tworzenia dużych skupisk aktomiozyny (zdjęcie 1), będącej częścią aparatu odpowiadającego za kurczliwość i elastyczność komórek w rozwijającym się zarodku.  

W ten sposób stworzyliśmy i sprawdziliśmy inżynierowane kinazy oparte na dwóch odmiennych enzymach – kinazie Rok oraz Src, połączone z różnymi nanoprzeciwciałami. Pokazaliśmy, że kinazy te wydajnie przekazywały informację na wybrane białko z przyłączonym znacznikiem, pozwalając na preferencyjne ukierunkowanie komunikacji komórkowej na wybraną ścieżkę w żywym organizmie.

Zakładamy, że po starannej optymalizacji podejście to można dostosować do innych kinaz i białek–odbiorców, w różnych komórkach i organizmach modelowych. Kolejnym krokiem nad jakim obecnie pracujemy jest możliwość precyzyjnej kontroli czasu i miejsca „włączenia” naszej kinazy do przekazania informacji poprzez zastosowanie światła o odpowiedniej długości fali (dla wtajemniczonych: połączenie naszej metody z optogenetyką). 

Adnotacja redakcji: Odkrycie to może znacząco wpłynąć na sektor medyczny, a co za tym idzie – naszą codzienność.