Život bez hemu - Zásadní objev jihočeských parazitologů

Převratný objev se podařil Mgr. Luďku Kořenému, Ph.D., z týmu prof. Julia Lukeše z Parazitologického ústavu Biologického centra AV ČR v Českých Budějovicích. Po třech letech usilovné práce se potvrdila jeho velmi odvážná domněnka, že jeden prvok z rodu Phytomonas nepotřebuje ke své existenci molekulu hemu. Ta je u všech ostatních známých živých forem k životu nezbytná. Objev může přispět k vývoji účinnějších léků proti leishmanióze, závažné tropické nemoci, kterou tento parazit způsobuje.

Videoreportáže o mimořádném objevu (publikováno v PNAS), kvůli kterému se možná budou přepisovat učebnice:

• Vědci našli organismus, který nepotřebuje kyslík - ČT24
• Jihočeští vědci objevili nové hranice života – ČT1
• hlavní zpravodajská relace zprávy ČT1

Buňka, která k životu nepotřebuje hem (odborné shrnutí)

Hem je molekula ze skupiny porfyrinů, která má ve svém středu atom železa a jako kofaktor různých proteinů se účastní řady klíčových buněčných procesů. Železo v hemu může existovat jak v oxidované (Fe3+) tak v redukované (Fe2+) formě, což hemu umožňuje přenášet elektrony. Uplatňuje se proto v redoxních reakcích různých metabolických drah, jako je např. syntéza sterolů, nebo desaturace mastných kyselin. Jako součást kataláz a peroxidáz je hem schopen štěpit peroxid vodíku, čímž značně přispívá k ochraně organismu před oxidativním stresem. Mezi další unikátní vlastnost hemu patří jeho schopnost vázat dvouatomární plyny, čehož se využívá například při přenosu kyslíku v lidském těle. Řada těchto procesů je univerzální prakticky pro všechny organismy a doposud se mělo za to, že bez hemu nemůže eukaryotická buňka přežít. Je například známo, že i anaerobní parazitičtí prvoci, kteří hem nepotřebují pro procesy související s oxidativním metabolismem a naučily se přijímat některé produkty hemových enzymů ze svých hostitelů, stále hem k některým funkcím využívají.

Nám se ovšem podařilo zjistit, že jeden bičíkovec z rodu Phytomonas, který je příbuzný známým parazitům člověka trypanosomám a leishmániím, se bez hemu nejen obejde, ale dokonce se mu bez něj výborně daří. A to i přesto, že ke svému životu potřebuje kyslík. Podobně jako jeho známí příbuzní není schopen si hem syntetizovat vlastní metabolickou drahou, avšak na rozdíl od nich jej ani nepotřebuje přijímat z prostředí. Pomocí různých experimentálních přístupů jsme se snažili odhalit, jak je to možné a zda existují nějaké funkce, pro které je hem stále využívám, pokud k němu má Phytomonas přístup.

Sekvenováním genomu jsme zjistili, že Phytomonas postrádá většinu hemových proteinů, které jsou přítomny v příbuzných prvocích. Experimentálně jsme potvrdili, že nevyužívá hem k obraně vůči oxidativnímu stresu, desaturaci mastných kyselin ani k přenosu elektronů ve stále fungujícím respiračním řetězci v mitochondrii. Jediná funkce, pro kterou je hem stále využíván je jeden enzymatický krok při syntéze hlavních membránových sterolů, jako je např. cholesterol u živočichů, nebo ergosterol u hub a některých prvoků. Přestože je nefunkčnost tohoto enzymu pro naprostou většinu eukaryot letální, Phytomonas dokáže žít i bez této aktivity, aniž by se to nějak projevilo na rychlosti dělení. Místo ergosterolu využívá jeho prekurzor lanosterol. Tímto objevem jsem zároveň pomohli osvětlit, proč je jeden druh leishmanie odolný vůči léčivu, které cílí právě proti této funkci hemu.

Phytomonas je zatím jedinou známou eukaryotickou buňkou, která dokáže přežít bez hemu a nabízí se tak jako skvělý modelový organismus pro studium různých buněčných funkcí v bez-hemovém prostředí.

• Kořený L., Sobotka R., Kovářová J., Gnipová A., Flegontov P., Horváth A., Oborník M., Ayala F.J. & Lukeš J. (2012) Aerobic kinetoplastid flagellate Phytomonas does not require heme for viability. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (published ahead of print February 21, 2012, doi:10.1073/pnas.1201089109)