Melatonin: Bonanza v biologii?

Melatonin je poměrně jednoduchý derivát indolu, 5-metoxy-N-acetyltryptamin (viz obr.obrázek). Původně byl identifikován r. 1958 jako živočišný hormon působící zesvětlení kůže obojživelníků. Postupně se našel u všech dosud zkoumaných druhů obratlovců včetně člověka. Umožňuje živočichům hlavně orientaci v čase během dne i během roku. V noci je totiž množství melatoninu v krvi podstatně vyšší než ve dne. Jeho hladina tak poskytuje informaci o aktuální denní době (noc/den) i o ročním období (trvání vysoké koncentrace melatoninu je úměrné délce noci). Podávání melatoninu pokusnému zvířeti vlastně simuluje noc a může tedy ovlivnit cirkadiánní rytmy (každodenní rytmické změny některých parametrů, např. pohybové aktivity nebo tělesné teploty) i tzv. fotoperiodické reakce (životní projevy, jako je např. reprodukční aktivita, které nastávají pouze v určitém ročním období, tedy při určité délce dne a noci). Denní i roční rytmicita obratlovců jsou vzájemně propojeny právě prostřednictvím změn koncentrace melatoninu.

Toto byla základní představa o roli melatoninu v živém světě. Ale tak jako aljašská zlatá horečka začala na nenápadném potoce Bonanza a rychle se šířila dál, i ve výzkumu melatoninu jsou odkrývána stále další „naleziště“. Předně melatonin nereguluje jen biologické hodiny, ale spektrum jeho účinků je mnohem širší. Melatonin modifikuje sekreci mnoha jiných hormonů, inhibuje dělení nádorových buněk, aktivuje imunitní systém, ovlivňuje stabilitu mikrotubulů a ve velkých dávkách navozuje spánek. Rovněž velmi účinně likviduje v organizmu nebezpečné superoxidové a hydroxylové radikály. Tyto blahodárné účinky melatoninu vedly k úvahám, že by mohl zpomalovat stárnutí. Přestože to není jednoznačně experimentálně potvrzeno, mnoho lidí zejména v USA polyká melatoninové pilulky, diskutuje o něm na Internetu, vydávají se populární knihy apod. Zájem veřejnosti povzbuzují i farmaceutické firmy, pro něž snadná a levná výroba syntetického melatoninu znamená velké obchodní možnosti. To už skutečně připomíná zlatou horečku.

Podívejme se však na jiná, zatím méně nápadná, ale zajímavá a potenciálně nadějná „naleziště“. Přítomnost melatoninu se totiž neomezuje jen na obratlovce. Je rozšířen v celé živočišné říši; z důležitých kmenů jmenujme alespoň členovce, měkkýše, ploštěnce a žahavce. Ve všech případech patrně slouží jako signál pro orientaci v čase, protože jeho hladina je vysoká v noci a nízká ve dne, stejně jako u obratlovců. Tak široký výskyt a konzervativnost funkcí svědčí o tom, že melatonin hraje svou roli v regulaci cirkadiánních rytmů a fotoperiodických reakcí a patrně i v likvidaci radikálů již od začátku evoluce mnohobuněčných živočichů. Rostliny však rovněž musí nějak měřit čas a chránit se před radikály. Používají i ony melatonin?

Takovou otázku si nikdo dlouho nekladl, protože u rostlin byly objeveny a studovány jiné systémy měření času. Rovněž hormony rostlin a živočichů jsou chemicky zcela nepříbuzné. Až začátkem devadesátých let nalezla skupina R. Hardelanda z Göttingenské univerzity melatonin v jednobuněčné řase Gonyaulax polyedra. Jeho koncentrace má podobný denní rytmus s maximem v noci jako u živočichů. Navíc aplikace melatoninu vyvolá fotoperiodicky řízenou sporulaci této řasy. Hardelandova skupina tak odkryla bohaté rýžoviště nových poznatků v rostlinné fyziologii. Nyní si na něm kolíkuje své zábory několik týmů z celého světa, včetně nás, z Ústavu experimentální botaniky v Praze. Situace je nejasná, bádání teprve v začátcích, otázky a spekulace převažují nad odpověďmi. Fakta o melatoninu u rostlin lze shrnout stručně: Kromě Gonyaulax polyedra nebyl zatím melatonin objeven u jiného druhu řasy. Mimořádně důležitý je ale jeho výskyt u vyšších rostlin. R. Dubbels a kol. z Německa a A. Hattori a kol. z Japonska loni potvrdili přítomnost melatoninu ve více než deseti druzích jednoděložných i dvouděložných rostlin. V Ústavu experimentální botaniky se nám podařilo prokázat melatonin v merlíku červeném (Chenopodium rubrum), a navíc jsme zjistili, že je u této dvouděložné rostliny hladina melatoninu vysoká v noci a nízká ve dne, podobně jako u živočichů a řasy Gonyaulax. Denní rytmus koncentrace je předpokladem pro funkci melatoninu v měření času. Aplikace melatoninu by tedy mohla ovlivnit fotoperiodické reakce rostlin, například kvetení, ale první pokusy s aplikací nebyly úspěšné.

Zatím jen skrovné výsledky vyvolávají řadu otázek a námětů na další výzkum.

• Je výskyt melatoninu u rostlin (nižších i vyšších) skutečně obecným jevem?
• Dráha biosyntézy melatoninu u živočichů vychází z tryptofanu. Probíhá syntéza u rostlin stejně, nebo se liší? Je regulována ve stejných krocích jako u živočichů? Který rostlinný orgán produkuje melatonin? Mají příbuzné indolové deriváty (např. serotonin) v rostlinách nějakou funkci?
• V organizmu obratlovců se melatonin snadno šíří krevním oběhem. Jak je ale transportován v rostlinách?
• Jaké vlastnosti má denní rytmus koncentrace melatoninu u vyšších rostlin? Důležité je, zda přetrvává v konstantních podmínkách bez střídání světla a tmy, podobně jako u živočichů, a jak je regulován světlem a dalšími podněty.
• Reguluje melatonin skutečně cirkadiánní rytmy a fotoperiodické reakce rostlin (hlavně kvetení)? Pokud ano, jaký je jeho vztah k jiným známým mechanizmům, které tyto děje u rostlin kontrolují? Netřeba zdůrazňovat, že například kontrola kvetení plodin aplikací melatoninu by měla velký ekonomický význam.
• Má melatonin v rostlinách i jiné funkce? Chrání je např. před nebezpečnými radikály, jimiž jsou rostliny jednoznačně ohroženy, zvlášť při nadměrném ozáření, ale mají pro odstranění radikálů jiné systémy. Ovšem in vitro a v několika pokusech se savci byl melatonin překvapivě účinným likvidátorem volných radikálů.
• Melatonin má v současnosti mnoho různých funkcí. Jak probíhala jejich evoluce? Kdy se objevil melatonin poprvé a k čemu původně sloužil? Zajímavou hypotézu vyslovili L. C. Manchester a kol. z Texaské univerzity, kteří loni objevili melatonin dokonce u fotosyntetizující bakterie Rhodospirillum rubrum. Soudí, že u této evolučně velmi staré bakterie zajišťuje melatonin především ochranu DNA před poškozením volnými radikály.

Výzkum melatoninu u rostlin probíhá zatím poměrně tiše a bez zájmu širší vědecké komunity. Nelze totiž zatím s jistotou říci, je-li melatonin u rostlin jen bezvýznamným vedlejším produktem metabolizmu, nebo zda kontroluje klíčové životní procesy nejen rostlin, ale všech organizmů od bakterií po člověka. Pravda bude jako obvykle někde mezi tím, dovoluji si ale tvrdit, že jde v každém případě o přitažlivé téma a můžeme se dočkat i velké exploze zájmu, překvapivých objevů a honičky za granty. Proto všem rostlinným fyziologům, a nejen jim, doporučuji situaci okolo melatoninu sledovat. Nebo rovnou zabalte rýžovací pánev, baňky, pipety, kupte psí spřežení a kapalinový chromatograf a ujíždějte k Bonanze, než bude pozdě.