Nobel z chemii z polskimi akcentami

Ludzkie ciało składa się z miliardów oddzielnych komórek, ale działa jak jedna całość. Aby to było możliwe, komórki muszą współpracować, co nie byłoby możliwe bez wymiany informacji. Oprócz układu nerwowego, zapewniają ją substancje takie jak adrenalina, serotonina, histamina czy dopamina.

Każda komórka ma na powierzchni maleńkie receptory, umożliwiające wyczuwanie, co dzieje się w ich środowisku. To pozwala organizmowi adaptować się w nowych sytuacjach.

"Każdy z nas może sobie przypomnieć jak się czuł, kiedy ostatnim razem naprawdę się przestraszył. Suchość w ustach, gwałtowne bicie serca, to oznaki, że nasze ciało przygotowuje się do ucieczki lub walki. Adrenalina wypełnia organizm i wpływa na metabolizm, krążenie krwi, oddech, napięcie mięśni i wzrok. To skoordynowana reakcja miliardów pojedynczych komórek, z których składa się nasze ciało" - powiedział na konferencji prasowej Komitetu Noblowskiego jego przedstawiciel, chemik prof. Sven Lidin.

Od dawna było wiadomo, że adrenalina nie wnika do komórek, ale zwiększenie jej stężenia wokół komórek powoduje reakcję w ich wnętrzu.

"Słusznie uważano, że w tym procesie musi pośredniczyć jakiś receptor, ale natura tej substancji była tajemnicą przez długi czas. Dzięki badaniom Roberta J. Lefkowitza i Briana K. Kobilki, wiemy jak wygląda ten receptor na poziomie molekularnym. Wiemy również, że jest to tylko jeden z przedstawicieli dużej rodziny receptorów, nazywanych GPCR" - dodał Lidin.

Komunikacja pomiędzy otoczeniem komórki a jej wnętrzem nie ogranicza się tylko do sytuacji zagrożenia, ale reguluje całe codzienne życie, a równowaga w tym procesie jest kluczowa. 50 proc. dzisiejszych leków wpływa na receptory GPCR, więc wiedza o tym jak są zbudowane te receptory i jak dokładnie funkcjonują wyposaża nas w wiedzę jak tworzyć skuteczniejsze leki, powodujące mniej skutków ubocznych. Przykładem mogą być obecnie stosowane w leczeniu alergii leki antyhistaminowe, leki przeciwwrzodowe blokujące wydzielanie kwasu w żołądku, leki na nadciśnienie i na choroby serca.

Aby wyśledzić komórkowe receptory, Lefkowitz zaczął stosować w roku 1968 izotopy radioaktywne. Dołączał radioaktywny izotop jodu do różnych hormonów i dzięki promieniowaniu ujawnił obecność szeregu receptorów, w tym receptora beta-adrenergicznego dla adrenaliny. Jego zespołowi udało się wyizolować receptor z błony komórkowej i dowiedzieć się przynajmniej w zarysach, jak działa.

Kolejny duży krok udało się zrobić w latach 80. Do zespołu dołączył Kobilka, który podjął wyzwanie wyizolowania genu kodującego wytwarzanie receptora beta-adrenergicznego z olbrzymiego ludzkiego genomu. Udało mu się dopiąć celu. Gdy naukowcy przeanalizowali gen, okazało się, że receptor przypomina występujący w oku receptor reagujący na światło. Dalsze badania wykazały, że istnieje cała rodzina receptorów o podobnej budowie i działaniu. Wszystkie mają bardzo podobną strukturę molekularną. Łańcuch tworzących je aminokwasów przechodzi przez błonę komórkową siedem razy - w tę i z powrotem.

Obecnie rodzinę tę określa się jako receptory sprzężone z białkiem G. Około tysiąca genów koduje receptory reagujące na zapach (około pięciuset różnych receptorów reaguje na rozmaite zapachy), światło, smak, adrenalinę, histaminę, dopaminę i serotoninę. W przypadku około stu receptorów nie wiemy jeszcze, na co reagują.

Badania Lefkowitza i Kobilki mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia działania receptorów sprzężonych z białkiem G. W roku 2011 zespół Kobilki dokonał kolejnego przełomu; udało się uzyskać obraz receptora beta-adrenergicznego dokładnie w momencie, gdy jest aktywowany przez hormon i wysyła sygnał do komórki. Uzyskanie tego obrazu było zwieńczeniem trwających dziesięciolecia badań.

Amerykanin Brian Kent Kobilka pochodzi z rodziny piekarzy. Zawód ten wykonywali jego dziadek i ojciec. Uczony nie poszedł jednak w ich ślady i dzięki temu doczekał się Nobla z chemii.

O otrzymaniu tego największego wyróżnienia naukowego amerykański badacz dowiedział się w domu o 2.30 w nocy. Telefon z wiadomością o nagrodzie odebrał dopiero za drugim razem. Za pierwszym nie zdążył do niego dobiec, ale - jak powiedział agencji AP - gdy już go odebrał, rozmawiało z nim pięciu członków Komitetu Noblowskiego.

"Przekazywali sobie słuchawkę i gratulowali mi. Domyślam się, że robią tak, żebyś naprawdę im uwierzył. Gdy dzwoni jeden człowiek, to może być żart, ale gdy pięć osób z przekonującym szwedzkim akcentem dzwoni do ciebie, to nie może być dowcip” – dodał Kobilka.

Przyznał, że swoją połowę nagrody (tj. 4 mln szwedzkich koron) planuje zachować na okres emerytury albo przekaże ją swoim dzieciom.

Kobilka przyszedł na świat w 1955 r. w Little Falls w środkowej Minnesocie. Jak podaje anglojęzyczna Wikipedia wywodzi się z rodziny polskich imigrantów.

Licencjat z biologii i chemii badacz zdobył na University of Minnesota w Duluth. Następnie ukończył studia medyczne z wyróżnieniem na Yale University School of Medicine.

W wywiadzie dla serwisu ScienceWatch.com w 2008 r. przyznał, że receptorami sprzężonymi z białkiem G – za badania których otrzymał Nobla z chemii - zainteresował się podczas rezydentury z medycyny wewnętrznej, na której przebywał w latach 1981-84 w szpitalu Barnes Hospital w St. Louis.

W 1984 r. w ramach stażu po doktoracie dołączył do zespołu dr. Roberta Lefkowitza (drugiego tegorocznego noblisty z chemii) na Duke University w Durham i szybko podjął wyzwanie, jakie postawił przed nim nowy szef: wyizolować z ludzkiego genomu i sklonować gen kodujący receptor beta-adrenergiczny (aktywowany przez adrenalinę, noradrenalinę lub dopaminę). Jego kreatywne podejście sprawiło, że razem z kolegami osiągnął ten cel w 1986 r.

Od tego czasu prowadzi badania nad lepszym zrozumieniem struktury i funkcjonowania receptorów sprzężonych z białkiem G. Z tych badań jest zresztą najbardziej znany. Podczas eksperymentów Kobilka często podglądał wyniki badań swoich współpracowników jeszcze przed ich ukończeniem. Choć wiedział, że tego nie lubią, nie potrafił się oprzeć.

Razem ze swoim zespołem udało mu się w końcu opisać krystaliczną strukturę receptora beta-adrenergicznego. Publikacje na ten temat ukazały się w 2007 r. w prestiżowych tygodnikach – „Nature” oraz „Science”.

Były szeroko cytowane przez innych naukowców, gdyż receptory sprzężone z białkiem G są istotnym celem działania wielu leków, ale trudno je badać krystalograficznie. Największym wyzwaniem w tych eksperymentach było opracowanie metod syntezy i oczyszczania wystarczającej ilości tych receptorów, a także stworzenie technik ich stabilizacji oraz tworzenia struktur krystalicznych.

W 1989 r. Kobilka przeniósł się na Stanford University School of Medicine, gdzie pracuje do dziś. W latach 1987-2003 prowadził też badania w Howard Hughes Medical Institute.

Jest współzałożycielem firmy biotechnologicznej ConfometRx, która koncentruje się na badaniu receptorów sprzężonych z białkiem G.

Za swoje prace otrzymał wiele nagród i wyróżnień. W 2011 r. został członkiem prestiżowej Amerykańskiej Akademii Nauk (National Academy of Science).

Na Uniwersytecie Minnesota w Duluth Kobilka spotkał swoją żonę Tong Sun Thian, z którą ma dwójkę dzieci. Hong Sun Kobilka pracuje razem z nim na Stanford University.

Drugi noblista prof. Lefkowitz w dzieciństwie czytał kryminały i w badaniach też najbardziej lubi zagadki. "Każde pytanie, na które udaje nam się znaleźć odpowiedź, stawia kilka kolejnych, które wydają się jeszcze bardziej interesujące" - wyznaje odkrywca.

"Lefkowitz nie planował kariery naukowej. Jako chłopiec, wychowujący się w nowojorskim Bronksie zaczytywał się powieściami związanymi z tematyką medyczną i detektywistyczną i już w trzeciej klasie postanowił, że zostanie lekarzem. Wybrał medycynę na Columbia University, którą ukończył jako najlepszy student na roku. Ale podczas dwuletniego stażu w National Institutes of Health w latach 1968–70 dał się wciągnąć w badania nad biologią receptorów, dziedziną, która była wówczas w powijakach" - informuje strona uczonego w Howard Hughes Medical Institute.

Dziś wiadomo, że komórki w naszym ciele bezustannie wystawione są na działanie przeróżnych sygnałów chemicznych: hormonów, neuroprzekaźników, czynników wzrostu a niekiedy leków, które muszą rozpoznawać i odpowiednio na nie reagować. Tym zajmują się receptory - cząsteczki chemiczne, którymi usiana jest błona komórkowa. Największą i najbardziej rozpowszechnioną rodziną tych receptorów są GPCR (G protein–coupled receptors, po polsku: receptory sprzężone z białkiem G). Wiadomo że tysiące tych receptorów istnieje w ludzkich ciałach. Mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania wzroku, powonienia i smaku. Biorą udział w regulacji tętna, ciśnienie krwi, odporność na ból, metabolizm glukozy i niemal każdy inny znany proces fizjologiczny.

Kiedy Lefkowitz zaczynał pracę nad tym zagadnieniem, eksperymenty jedynie sugerowały, że takie receptory istnieją. Ale nikomu nie udało się tego udowodnić. Uczony był jednak przekonany, że to prawdziwa teoria i zabrał się za poszukiwanie tajemniczych związków chemicznych. Od 1982 r. Lefkowitz wyizolował osiem z dziewięciu podtypów receptorów adrenergicznych i ustalił kompletną sekwencję aminokwasów, z których się składają. Pierwszymi, które odkrył, były receptory adrenergiczne beta-2, które są jednymi z najbardziej powszechnych receptorów GPCR, regulującymi reakcję "walki lub ucieczki" w odpowiedzi na epinefrynę.

Amerykanin odkrył również dwie nowe rodziny białek, które rozkładają receptory GPCR, co pomogło naukowcom zrozumieć jak, na poziomie molekularnym, dochodzi do uodpornienia się receptorów na niektóre leki.

Ta wiedza może w przyszłości przyczynić się do wynalezienia nowych sposobów leczenia chorób, takich jak niewydolność serca.

Obok swojej trzydziestoletniej historii odkryć, Lefkowitz jest znany ze swojego oddania nauczaniu i poświęcenia dla studentów.

"Przez lata wychował ponad 200 absolwentów i postdoków, którzy gościli w jego laboratorium. Zdaje sobie sprawę, że nie ma przepisu na wyprodukowanie uczonego, Lefkowitz przyznaje, że lubi jako mentor +trzymać rękę na pulsie+ i ceni sobie codzienne kontakty z ludźmi pracującymi w jego laboratorium. W czasie spotkań w małych grupach, odbywających się trzy lub cztery razy w tygodniu, profesor omawia dotychczasowe wyniki i układa strategię ze studentami pracującymi nad związanymi z nimi badaniami" - napisano na stronie instytutu.

O samym badaczu można przeczytać też, że w swojej pracy najbardziej lubi to, że wciąż dowiaduje się czegoś nowego. "Przychodzę do pracy każdego dnia z uczuciem wielkiego oczekiwania i ciekawości, jakie nowe odkrycia pojawią się na naszej drodze i co uda nam się zrozumieć. Każde pytanie, na które udaje nam się znaleźć odpowiedź, stawia kilka kolejnych, które wydają się jeszcze bardziej interesujące od tych, na które właśnie odpowiedzieliśmy" - wyznaje Lefkowitz.

Robert J. Lefkowitz urodził się 15 kwietnia 1943 roku w Nowym Jorku. Według portalu poświęconego naukom przyrodniczym Phys.org jest wnukiem polskich Żydów, którzy wyemigrowali do USA. Ukończył licencjackie studia chemiczne i lekarskie na Columbia University. Po zakończeniu stażu lekarskiego pracował w National Institutes of Health. Następne lata (1970-1973) spędził w związanym z Harvardem bostońskim Massachusetts General Hospital, gdzie odbył rezydenturę lekarską i kształcił się jako badacz i klinicysta, specjalizujący się w leczeniu chorób sercowo-naczyniowych.

W 1973 r. został wykładowcą medycyny i biochemii w Duke University Medical Center. W 1977 otrzymał stanowisko profesora medycyny na tym samym uniwersytecie. Jest również profesorem biochemii. Od 1976 r. pracuje jako badacz w Howard Hughes Medical Institute. Jest żonaty, ma pięcioro dzieci i pięcioro wnuków.

Jest członkiem National Academy of Sciences, American Academy of Arts and Sciences. Otrzymał wiele prestiżowych nagród.