Buněčné dýchání a lidské choroby

Jana Olivová: Zkoumáte procesy, jakými buňky v živém organismu přeměňují a využívají energii. Jde o procesy velmi složité. Proč jste si zvolil k výzkumu právě toto téma a na jaké konkrétně aspekty se soustřeďujete především?

John E. Walker: Vybral jsem si toto téma před téměř 30 lety, když jsem byl ještě mladý vědec. Pracoval jsem s Fredericem Sangerem, dvojnásobným nositelem Nobelovy ceny za chemii. V té době se zabýval stanovením genomu mitochondrie. Hodně lidí překvapuje, že všechna genetická informace – DNA – buňky se nenachází v jejím jádře. Malá část je jí obsažena v mitochondriích. A vzhledem ke způsobu, jakým se mitochondrie – tyto buněčné elektrárny – v živých organismech předávají potomkům, se mitochondriální DNA dědí výhradně od matky. To je jeden z nejzajímavějších aspektů genetiky mitochondrií. Zajímal jsem se o tuto konkrétní záležitost, a tak jsem před 30 lety začal studovat to, co bylo tehdy známo o procesech přeměny energie na molekulární úrovni. Zjistil jsem přitom, že ve znalostech jsou propastné mezery. Už jsem tehdy měl zkušenosti s chemií bílkovin a věřil jsem, že je mohu uplatnit na tomto konkrétním tématu. Začal jsem na něm tedy pracovat s představou, že tento problém vyřeším během několika málo let. Tehdy jsem o tom diskutoval s dalším svým konzultantem a dalším nositelem Nobelovy ceny Maxem Perutzem, a ten mi řekl: „Johne, mně se zdá, že je to jako rozsudek na doživotí.“ Vzpomínám si, že jsem si tehdy pomyslel: „No, já to během 10 let vyřeším.“ Ovšem teď tu stojím po 30 letech – a ještě pořád na tom stejném tématu pracuji. Pokročili jsme samozřejmě kupředu: Zpočátku mne zajímaly základní věci: vysvětlení biologických procesů, které byly popsány jen velmi málo. Dnes je však mou hlavní motivací poznání, že s narušením procesů přeměny energie v buňkách souvisí řada lidských chorob. Jsou určitě příčinou některých nervově svalových onemocnění dětí. Dnes víme, že i mnoho forem Parkinsonovy choroby má původ v porušené funkci mitochondrií. Chceme proto porozumět nejzákladnějším procesům, které v nich probíhají, abychom poznali ony nemoci, abychom poznali příčiny oněch patologických stavů a mohli navrhnout prevenci a léčbu. Máme podezření, že i Alzheimerova choroba může mít souvislost s narušením přeměny energie. Někteří lidé soudí, že s tím může souviset i sám proces stárnutí. Všechny tyto medicínské důvody pro mne teď představují hlavní motivaci k tomu, abych pokračoval dál v práci a snažil se poznat zmíněné procesy i to, co se stane, když selžou.

J. O.: Které konkrétně jsou ty nejzajímavější nezodpovězené otázky, na které byste rád našel odpověď – co se týče tohoto procesu?

J. W.: Stále ještě nebylo popsáno překvapivě mnoho základních aspektů mitochondriálních elektráren v buňce. Nerozumíme úplně přesně tomu, jak se uvnitř mitochondrií kopírují molekuly DNA. Musí se kopírovat znovu a znovu, ovšem jak se to děje, není stále docela jasné. Stejně špatně rozumíme i jiným zásadním aspektům činnosti mitochondrií. Musíme je přitom osvětlit, jestliže chceme pochopit nemoci, které s jejich poruchou souvisejí. V mitochondriích je například mnoho bílkovin – proteinů – jejichž funkce není známa. Jedním z našich úkolů proto je pokusit se je skutečně poznat. Tyto bílkoviny se objevují ve všech eukaryotických buňkách, což naznačuje, že skutečně hrají důležité role. Jaké, to však teprve potřebujeme zjistit.

J. O.: Používají všechny organismy na Zemi stejný způsob, stejné procesy k přeměně energie?

J. W.: Obecně existuje řada různých způsobů přeměny energie: například fotosyntéza, která představuje hlavní mechanismus pro přeměnu energie u zelených rostlin a fotosyntetizujících bakterií. Pak je zde buněčné dýchání, které se také uplatňuje u rostlin, ale hlavně u eukaryotických buněk. My lidé samozřejmě neprovádíme přímo fotosyntézu. Existují tedy dva hlavní procesy k přeměně energie. Na jedné straně fotosyntéza a na druhé straně buněčné dýchání: tím se štěpí cukry a tuky reakcemi závisejícími na kyslíku.

J. O.: Tyto procesy tedy závisejí na kyslíku. Ale v raných epochách existence naší Země bylo v atmosféře kyslíku málo. Přesto, pokud vím, dokonce i předtím, než se množství kyslíku v atmosféře zvýšilo, mohl existovat život. Jakým způso bem v tom případě mohly tehdejší organismy přeměňovat energii?

J. W.: Aha. Ve své předchozí odpovědi jsem zapomněl na anoxický – na kyslík chudý – svět. Existuje anoxický svět, v němž také dochází k přeměně energie. Nachází se například kolem horkých průduchů hluboko na oceánském dně, kde není téměř žádný kyslík. Procesy přeměny energie tam jsou trochu jiné, ale obecně je tam chemie podobná. Abych se vrátil k vaší otázce, co se dělo v průběhu evoluce živých organismů předtím, než zde byl dostatek kyslíku: Má se za to, že v těchto podmínkách byly dost důležité chemické procesy založené na síře a že už za těchto podmínek se některé části zmíněných procesů vyvinuly v dnešní způsob přeměny energie. Když se posléze začalo zvyšovat množství kyslíku, rozšířily se i tyto druhé procesy.

J. O.: Pochody, které jste popsal ve své přednášce, jsou velmi složité a komplexní. Vědci se vždy snaží najít odpověď na otázku, jak se tyto komplikované procesy vyvinuly. Existují nějaké jednodušší pochody, které takovýmto složitým způsobům přeměny energie předcházely?

J. W.: V našem krátkém životě je opravdu velmi těžké pozorovat evoluci v laboratoři. Musíme proto spekulovat na základě dostupných vědomostí. Samy složité procesy a složité molekulární motory, které se pro tyto účely vyvinuly, se musely v průběhu evoluce zcela zjevně vyvinout z jednodušších procesů a jednodušších motorů. Když si vezmeme například komplex syntetizující ATP (adenosintrifosfát), existují podle našeho názoru velmi dobré důkazy, že se docela pozdě ve své evoluci vyvinul ve dvě zcela oddělené části. Jedna je katalytická a ta druhá se rozvinula v pumpování protonů. Víme, že to tak skutečně je, protože modul tvořící katalytickou část se nachází nejen v komplexu syntetizujícím ATP, ale najdeme ho i v jiných biologických procesech, což nám ukazuje, že existoval raný předchůdce, který na jedné straně vedl k syntéze ATP a na druhé straně vedl k jiným procesům. Existují například proteinové „motory“ zvané DNA-helikázy, které jsou potřeba pro replikaci DNA, a svou funkcí a strukturou mají zcela zjevně velmi blízko ke komplexu ATP syntázy. Takže jestli chcete, můžete si to představit jako dílky stavebnice Lego: Vyvinuly se samostatně, spojily se a vytvořily něco nového, složitějšího. Obtížnější ale je jít ještě dál než k tomuto poněkud primitivnímu vysvětlení: kupříkladu odkud se vzaly samy tyto stavební kameny, je zcela otevřená otázka, na niž budeme na základě současných znalostí jen velmi obtížně hledat odpověď.

J. O.: Už jste se zmínil, že špatná funkce mitochondrií souvisí s mnoha lidskými chorobami. Existuje naděje, že pokud se vědcům podaří poznat všechny jednotlivé kroky v tomto složitém procesu, dokážou do něho také zasáhnout a opravit „porouchané části“?

J. W.: Myslím, že věda může tyto složité nemoci ovlivnit řadou způsobů. Například se dá zabránit výskytu dědičné formy Parkinsonovy choroby, pokud je diagnostikována. Takový případ už v medicíně máme. Jde o další devastující chorobu, konkrétně o jedno autozomální recesivní onemocnění. V populaci jsou nositelé této nemoci a v případě partnerů je důležité zjišťovat, jestli některý z nich není nositelem, a poskytovat jim poradenství. A pokud nositeli jsou, mohou se rozhodnout vůbec se neženit či nevdávat, nebo nemít děti. Mám na mysli Tayovu-Sachsovu nemoc, která ničila především aškenázské Židy, ale díky genetickému poradenství byla už téměř úplně vymýcena. Není, myslím, obtížné si představit, že by se daly vymýtit i dědičné formy Parkinsonovy choroby – které nejsou vzácné –, kdyby bylo podobné poradenství zavedeno. Další choroby jsou složitější, týkají se více než jednoho genu, takže jsou potřeba další genetické výzkumy, abychom jim porozuměli. Mám ale za to, že si nyní začínáme uvědomovat, že mnoho nervově svalových (neuromuskulárních) onemocnění nelze vyléčit, nemáme téměř žádné léčebné prostředky. Pokud své poznatky o těchto chorobách prohloubíme, můžeme si představit alespoň lepší léčbu. Věřím, že v tomto směru existuje určitá naděje. Nervově svalové onemocnění, které mám na mysli, může být zničující a vést k předčasnému úmrtí dětí. Symptomy se těžko léčí nebo alespoň zmírňují, takže hlubší znalost a lepší pochopení podstaty těchto nemocí je určitě pomůže zmírnit. Opakuji: prostřednictvím genetického poradenství se můžeme v podstatě vyhnout konkrétně nemocem, jež vznikají v důsledku mutací mitochondriální DNA.

J. O.: Získal jste Nobelovu cenu za svůj výzkum – a to je asi sen každého vědce. Byly ale na vaší vědecké cestě a ve vaší kariéře i nějaké nezdary? A máte ještě nějaké přání do budoucna?

J. W.: Můj konzultant Frederic Sanger v jednom v rozhovorů pro londýnský list Observer kdysi pronesl slavnou větu, která byla hojně citována. Řekl: „Většina experimentů se nezdaří.“ To je, myslím, věc, se kterou se studenti jen obtížně vyrovnávají, když se začínají věnovat výzkumu. Fakticky předpokládají, že se všechny pokusy povedou. Ovšem ve vědě to tak nechodí. Věda je nedokonalá práce. Kdyby byla dokonalá, nebyla by tak zajímavá. Takže provádíme pokusy s vědomím, že se nemusí vydařit: To však neznamená, že se z těchto experimentů nemůžeme poučit a změnit je v experimenty, které se nakonec vydaří! Ve skutečnosti právě takto věda funguje. Každý vědec tudíž během své profesionální dráhy neustále zažívá nezdary. To je nedílná součást celého procesu. A teď k tomu, čeho se mi nepodařilo dosáhnout a co bych ještě chtěl dokázat: Stále ještě plně nerozumíme molekulárnímu motoru enzymů pro syntézu ATP, stále existují podrobnosti, které je podle mého názoru třeba popsat. To je vůbec zajímavá otázka: kdy je určité téma dořešeno. Nedávno jsem o tom diskutoval s kolegy: Byla už tato konkrétní oblast dořešena? Myslím, že žádné téma není nikdy úplně objasněno, vždycky můžete jít dál a rozpracovávat další podrobnosti. Zároveň si ale myslím, že nastane chvíle, kdy dosáhnete dostačujícího poznání, přinejmenším pro současné potřeby. A já cítím, že v mém oboru se tohoto bodu zatím nedosáhlo. Také chci našich fundamentálních poznatků využít směrem k medicíně. Toto přání se nezrodilo z politického tlaku, mám ho už dlouho. Nejdřív je však potřeba základní výzkum, aby se tohoto cíle mohlo dosáhnout.

/Otázky kladla Mgr. Jana Olivová, redaktorka Českého rozhlasu 3 – Vltava./