Molekulární motor v lidských kožních buňkách nafotili na University of York. Aby vědci mohli získat tyto obrázky z optického mikroskopu, bylo nutné buňku kultivovat na pružné silikónové membráně. Velikost její deformace se měří podle posunu malých latexových kuliček, které jsou na preparátu vidět jako nepravidelně rozeseté body. Podle pohybu těchto bodů lze odvodit sílu, kterou takový molekulární motor musí vyvinout. Odhad v tomto případě je okolo 2.65 mikro Newtonů. (Kredit: Tim R. Fray, University of York)

V prosincovém čísle časopisu Cell se objevil článek o mechanismu, kterým si buňky řídí svoje vnitřní molekulární motory. Motorem je zde míněno zařízení, které přemísťuje mitochondrie a další organely tam, kde je buňka potřebuje mít. Molekulární motory nepřesouvají jen organely, posunují také chromozómy. Základem jednoho z takových motorů je protein kinesin. Účastní se na funkci dělícího vřeténka a na separaci chromozómů během  mitózy a meiózy. Kinesin pracuje ve spolupráci s tubulinem a tyto mikrotubulinové motory, jak se jim také říká,  jsou dvojího typu.  Plus-koncový a mínus-koncový.  To podle směru, kterým podél mikrotubulinových vláken chromozómy táhnou. 

Zvětšit obrázek

Michael Welte: „Teorie o tom, jak v buňce pracují molekulární motory, byla mylná.“

Jde tedy o zařízení, které zaručí, že dceřiné buňky dostanou správnou porci genetického materiálu. Vše musí pracovat tak, aby se přesouvané chromozómy do sebe nezamotaly. Proto  vše musí probíhat koordinovaně. Nikde se nesmí nic zpožďovat. Nyní vychází najevo, že to s těmi motory je jinak, než se dosud soudilo. Původně se mělo zato, že rychlost pohybu dané organely se odvíjí od toho, kolik motorů je k ní připojeno. Michael Welte (vedoucí autorského kolektivu), biolog z University of Rochester ale prohlašuje, že to není počet motorů, co rozhoduje o rychlosti přesunu, ale že k této činnosti jsou využívány ještě další molekuly, jakési nadřazené regulátory, kterými si buňka „dělání pořádku“ řídí a koriguje. Nedělá to ale pomocí kvantity.

To, že počet motorů nemá s řízením provozu uvnitř buňky nic společného, je velkým překvapením. Dříve se na to nepřišlo proto, že práce s jednotlivými motory ve zkumavce (in vitro) to neodhalily. Umožnil to až pokus na živé buňce.

Pořádek musí být

Pořádek v buňce je základem pro její zdraví, ale i zdraví celých organismů. Příkladem je proces dělení buněk, kdy je potřeba zajistit, aby kopie od každého chromozómu se přesouvaly do jejího opačného konce. Je-li tento úklid narušen, máme zaděláno na pořádný malér, většinou spojený s rakovinou.
Molekulární motory mají i neurony. Některé z neuronů mají na délku téměř metr a i na takovou délku jsou molekulární motory schopny náklad přesunout z jednoho konce na druhý. Když tato pošta nefunguje vznikají neurologické poruchy.

 
Biologové většinou prováděli pokusy tak, že pracovali na porušených buňkách, nebo molekulární motory sledovaly za přesně kontrolovaných podmínek zcela mimo buňky. Byly to právě tyto nepřirozené podmínky, které vedly k mylnému přesvědčení, že rychlost přesouvání závisí na tom, kolik motorů danou organelu táhne. Také se předpokládalo, že řešení bude co nejjednodušší a že buňka si počet motorů k organelám připojuje podle toho, na jakou vzdálenost s nimi potřebuje manipulovat. Tato „multimotorová“ hypotéza je elegantní, logická a jednoduchá. Snad proto její platnost v živé buňce nikdo netestoval. Až si postgraduální studentka Susan Tranová připravila vajíčka banánové mušky, jimž chyběl jeden typ molekulárního motoru zvaného kinesin. Bez tohoto typu motorů se některé organely přestaly ve vajíčku posouvat. Tím Tranová zjistila, které z organel jsou na kinetinu závislé. Pak připravila jiný typ mutantních muších vajíček. V těch byl poloviční počet molekulárních motorů, než jaký je v normálních vajíčkách. Vývoji vajíčka to přesto nijak neuškodilo. To znamená, že v obou typech vajíček (v normálním i v tom s polovičním počtem motorů) se organely přesouvaly normální rychlostí. 

Zvětšit obrázek

Kinesiny jsou biomakromolekuly. Říká se jim také motorové proteiny nebo také mikrotubulární motory. Rodina kinesinů je bohatá a její členové se liší tvarem. Typický kinesin se sestává z páru makromolekul tvořených ze dvou lehkých a dvou těžkých řetězců. Těžký řetězec dává vznik kulovité hlavě se sekvencemi aminokyselin, jež jsou evolučně značně konzervovány. Hlava slouží k připojení na buňěčná vlákna. Hlava je spojena přes krátkou pružnou spojku s dlouhou nožkou . Nožka se za spotřeby energie splétá a vytváří fyzikální pohyb. (Obr: Wikipedia)

To zaujalo Michala Welteho, i položil si otázku - pokud dochází v obou jmenovaných případech k nezměněnému  posunu organel, je to dáno tím, že zdravé normální vajíčko používá pouze polovinu z motorů, které má k dispozici anebo si buňka řídí rychlost přesunu jiným principem? Ve druhém případě by něco takového mohl zajistit jen nadřízený regulační prvek, který by rychlost pohybu organizoval bez ohledu na počet připojených motorů. Aby to zjistil, jak to tedy je, obrátil se Welte na svého kolegu Stevena Grosse. Ten je specialistou na práci se zařízením zvaným optická pinzeta. Součástí tohoto přístroje je laser, kterým lze měřit nepatrné síly - tah jakým jsou organely molekulárním motorem taženy. Z pokusu vyšlo najevo, že organely v normálních buňkách jsou taženy poloviční silou (vztaženo na jeden motor), než jakou silou jsou taženy organely v mutantních vejcích, v nichž je motorů nedostatek.

Mimo jiné to znamená, že v buňce je mnoho motorů, které přesouvají organelami. Ale jejich počet do určité hranice není důležitý. Buňka si totiž dokáže tah (výkon) těchto motorů regulovat. To, co se zdálo na první pohled nepravděpodobné, je vlastně zcela logické. Toto řešení je schopné reagovat na případné výpadky. Když se jeden z motorů nějakým způsobem v buňce porouchá, buňka sešlápne plyn u dalších připojených motorů a zajistí tak, aby požadovaná zásilka dorazila tam kam má včas.
I když se jedná o poznatek na muších vajíčkách, přesun organel v buňkách je shodný u všech živočichů.

Jako perličku na okraj lze dodat, že také virusy (včetně viru HIV), používají molekulární motor při svém pohybu buňkou. A to dokonce dvakrát. Nejprve aby se z místa, kde virus do buňky proniknul, dostal až do jádra buňky a podruhé když potřebuje, aby se již jako namnožený virus dostal přes buněčnou membránu zase z buňky ven.

Desetiletí je známo, že buňky používají molekulárních motorů k přesouvání chromozómů, mitochondrií a dalších organel. Dosud nikdo nevěděl, že takové přesuny řídí nějaký „kormidelník“. I když zatím přesně nevíme kdo jím je, víme, že v buňce rozhoduje o tom na jaký plyn motory přesouvající náklady pojedou.

Kdyby se vědcům podařilo časem zvládnout proces řízení molekulárních motorů, dostali bychom do ruky nástroj, který by mohl zajistit prevenci před mnoha chorobami, včetně oněch virových infekcí. A nebo bychom je alespoň mohli udělat méně škodlivými.

Pramen:  University of Rochester