Buňka používá molekuly bílkovin jako nástroje pro mnoho životně důležitých činností. Pro správnou funkci těchto buněčných nástrojů je klíčový jejich tvar. Vědci měli až donedávna možnost studovat tvar bílkovinných molekul jen mimo buňky. Nemohli pozorovat bílkovinné nástroje při práci. Díky dvěma japonským týmům je tato nepříjemná komplikace minulostí.
Yutaka Ito z university v Tokiu a Masahiro Shirikawa z university v Kyotu použili velmi citlivé metody jaderné magnetické rezonance. Zkoumaná molekula je vystavena účinkům silného magnetického pole a vědci pak měří, jak na sebe v molekule působí jednotlivé atomy. Z výsledků měření lze určit polohu jednotlivých atomů a tím i tvar molekuly.

 

Ubikvitin objevil Gideon Goldstein v sedmdesátých letech. Je to protein o 76 aminokyselinách, který je evolučně vysoce konzervovaná strukturou a rozdíly v jeho struktuře mezi rostlinami, kvasinkami a člověkem jsou minimální. V buňce je jakousi součást likvidační čety nepotřebných molekul. Jeho ohebnost mu dovoluje „přilepit se“ a označit tak jakoukoliv strukturu určenou k „demolici“.
( Obr: BMRB )

Itův tým nechal běžnou střevní bakterii Escherichia coli vyrábět velká množství vybrané bílkoviny z aminokyselin, které měly obvyklé atomy uhlíku a dusíku nahrazeny vzácnějšími izotopy těchto prvků. Vědci sledovali prostřednictvím jaderné magnetické rezonance tyto izotopy uvnitř bakterie. Díky tomu určili tvar bílkovinné molekuly, do níž byly izotopy v aminokyselinách zabudovány. 

Tým Masahira Shirakawy se jako první podíval na bílkoviny uvnitř lidských buněk. Vědci připojili ke studovaným bílkovinným molekulám zvláštní „přívěsky“, které dokážou bílkovinu protáhnout přes stěnu buňky do jejího nitra. „Přívěsek“ poslouží jako jehla,  jejíž pomocí lze protáhnout nit přes tkaninu. Jakmile byla bílkovina uvnitř buňky, přivěšená „jehla“ se od ní oddělila. Shirakawa pak mohl sledovat, co bílkoviny v buňce dělají a jak se mění jejich tvar. Výsledky experimentů obou japonských týmů otiskl vědecký týdeník Nature.
Vědci předpokládali, že si bílkovinné molekuly udrží uvnitř buňky mnohem pevnější tvar než v laboratorních podmínkách. Ukázalo se, že přinejmenším pro některé bílkoviny to neplatí a v nitru buňky jsou podstatně ohebnější. Příkladem takové tvárné molekuly je bílkovina ubikvitin. Buňky ji používají jako značku, která předurčuje jiné bílkovinné molekuly k likvidaci. Ubikvitin hraje významnou roli při odstraňování nepotřebných nebo poškozených molekul. Neobvyklá pružnost ubikvitinu vysvětluje, proč může buňka tuto „likvidační značku“ připojit na nejrůznější molekuly. Vysoce ohebný ubikvitin se přizpůsobí prakticky všemu.
Zatím lze sledovat v buňkách tvary jen těch bílkovinných molekul, jejichž produkci vědci umělým zásahem dramaticky zvýší. Bílkoviny, které se vyskytují v buňce přirozeně, nedosahují potřebných koncentrací.
„Pokud se nám podaří zvýšit citlivost jaderné magnetické rezonance desetkrát, pak dokážeme sledovat uvnitř lidských buněk i běžné bílkoviny,“ předvídá Yutaka  Ito v rozhovoru pro vědecký týdeník Nature.

Odborníci jsou přesvědčeni, že potřebný vzestup citlivosti jaderné magnetické rezonance je dosažitelný v dohledné době. Pokud se to podaří, otevřou se nové možnosti nejen pro teoretický výzkum procesů uvnitř buněk. Výsledky tohoto bádání najdou i praktické uplatnění. Například farmaceutické firmy by mohly sledovat v buňce  osudy testovaného léku a zjistit, s kterými bílkovinnými molekulami reaguje a jak se to odráží na tvaru bílkovin. Změny tvaru některých  bílkovin stojí v pozadí vzniku závažných onemocnění. Například při Alzheimerově chorobě se tvoří v buňkách mozku bílkovinná vlákna, tzv. fibrily. Vědci nyní budou moci sledovat proces vzniku fibril v buňkách „v přímém přenosu“.