Výbuch v hmyzí říši

Stárnoucí dělníci termitů druhu Neocapritermes taracua brání svou kolonii doslova do roztrhání těla. Používají k tomu nálože specifického enzymu, který nosí v kapsách na zádech. Trojrozměrná struktura tohoto proteinu odhaluje mechanismy, které zajišťují, že enzym zůstává stabilní a aktivní i v pevném stavu po celou dobu života termita v prostředí tropického deštného lesa.

Termití výbušné batůžky

Termiti jsou sociální hmyz, který žije na Zemi už 99 milionů let. Během této dlouhé evoluce si vyvinuli řadu obranných mechanismů, mezi něž patří i výbuchy tělesných tekutin [1]. Někteří termiti dokážou v boji zatnout intersegmentální svaly, které spojují jednotlivé tělesné články, tak silně, že se jejich tělo roztrhne a uvolněné tekutiny potřísní protivníka. Některé druhy vystřikují obsah své trávicí soustavy, jiné druhy mají pro tento účel dokonce speciální žlázy s jedovatým obsahem. Druh Neocapritermes taracua si vyvinul jinou zajímavou obrannou strategii. Využívá dvousložkový systém, který kombinuje netoxické chemické prekurzory s enzymem, jenž je svou aktivitou přemění na jedovaté obranné látky až v okamžiku útoku [2].

Dělníci tohoto druhu během svého života postupně ukládají v kapsách na zádech velmi pozoruhodný protein – enzym lakázu – který patří mezi oxidoreduktázy a díky iontům mědi má modrou barvu. Lakázu termit ukládá v pevném stavu, a čím starší dělník je, tím větší modrá tělíska, připomínající krystaly, nosí na zádech (obr. 1A). Současně si v dalších oddělených váčcích ukládá prekurzory jedovatých látek – relativně neškodné hydrochinony. Jak dělník stárne, stává se čím dál méně užitečný pro kolonii při sběru potravy a budování hnízda. Jeho role ve společenství se mění: stále častěji opouští bezpečí termitiště a vydává se mimo hnízdo, kde se může setkat s nepřáteli, jako jsou mravenci nebo jiní termiti. A právě v takových chvílích vykoná starý dělník poslední službu své kolonii – obětuje se. Roztrhne kutikulu na svých zádech, modrá lakáza se smísí s hydrochinony a katalyzuje jejich oxidaci na jedovaté benzochinony (obr. 1B). Ve velmi rychlé, až explozivní reakci z termita vystříkne lepkavá kapalina, která znehybní a otráví jeho protivníka. Jak napadený termit, tak útočník brzy umírají.

A. Stárnoucí termití dělník druhu Neocapritermes taracua s tělísky modré lakázy BP76. B. Termití lakáza oxiduje relativně neškodné hydrochinony na jedovaté benzochinony. R₁ a R₂ značí různé přirozené chemické modifikace základní molekuly. C. Fotografie pevných lakázových tělísek v různých časových intervalech ukazují, jak lakáza postupně oxiduje bezbarvou chemikálii na hnědě zbarvený reakční produkt. D. Krystaly lakázy připravené pro rentgenostrukturní analýzu.

Snímek A Aleš Buček

Potřebujeme krystal

Lakázová tělíska se do naší laboratoře dostala z pralesů Francouzské Guyany poprvé v roce 2012. Entomolog Jan Šobotník a jeho kolegové ve spolupráci s dalšími vědci z ÚOCHB zjistili, že tělíska obsahují jediný, dokonale čistý protein – modrou lakázu, kterou pojmenovali BP76 („blue protein“, molekulová hmotnost 76 kDa) [2,3]. Oslovili nás s domněnkou, že tělíska by mohla být krystalická forma enzymu, a požádali nás, abychom pomocí rentgenové krystalografie stanovili strukturu. Difrakční experiment, při kterém jsme tělísko ozářili rentgenovým zářením, ukázal, že tělíska nemají pravidelné vnitřní uspořádání a mají amorfní charakter. Tento neobyčejný enzym nás však zaujal natolik, že jsme entomology požádali o větší množství tělísek, a rozhodli jsme se připravit skutečné krystaly enzymu vhodné pro rentgenostrukturní analýzu v laboratoři. Už od počátku to byl velmi nezvyklý projekt, odlišný od standardních postupů, které v proteinové krystalografii obvykle používáme. Pro přípravu krystalů potřebujeme desítky miligramů proteinu ve vysoké čistotě a proteiny většinou připravujeme rekombinantní expresí¹⁾ v hostitelských organismech, nejčastěji v bakteriích Escherichia coli. Poté je náročným postupem čistíme z velmi komplexní směsi. Příležitost pracovat s proteinem z přirozeného zdroje a v plně nativním stavu byla tedy skutečně unikátní.