Inženýrka nových proteinů. Kristýna Boušová přetváří svět buněk a molekul

Od útlého věku ji fascinoval mikrosvět buněk a molekul. Nechtěla ho ale jen pozorovat, začala ho aktivně přetvářet. Nové molekuly z její laboratoře mohou posloužit medicíně i ochraně životního prostředí. „Zabývám se strategickým fúzováním proteinových domén, což je poměrně nový směr v proteinové chemii a biochemii,“ říká v rozhovoru Kristýna Boušová z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR.

\\  Dnes jste proteinovou inženýrkou, v laboratoři vytváříte a vylepšujete proteiny. Vedla k tomuto cíli přímá cesta – bavily vás přírodní vědy už na gymnáziu?

Patřím mezi menšinu vědců, kteří nestudovali gymnázium, ale průmyslovou školu. Konkrétně Střední průmyslovou školu potravinářských technologií, zaměřenou na chemii a mikrobiologii. Zaujala mě tehdy zejména biologická část chemie. Úžasné mi přišly například metabolické procesy. Zhruba tak od druhého ročníku jsem věděla, že se budu chtít i nadále věnovat biochemii.

\\  Takže po průmyslovce jste se hlásila rovnou na biochemii?

Přihlásila jsem se na dva obory na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. Jeden byl zaměřený na environmentální vědy a spojovala se v něm chemie s ochranou přírody. Druhým oborem byla přímo biochemie. Dlouho jsem zvažovala, co si vybrat, lákalo mě oboje, nakonec ale vyhrála fascinace biochemií. Poslední dobou se zase obloukem vracím k environmentálním tématům, takže se to propojuje.

\\  Co z oněch dvou složek – biologie a chemie – vás zajímá více, jestli se to tak dá říct?

Každá má pro mě jiný význam. Zatímco chemie je takovou technickou částí oboru, biologie mě hlavně inspiruje. U nás v rodině jsme všichni chemici, oba rodiče i bratr. Jenže oni jsou anorganičtí chemici, zabývají se nanomateriály, což je pro mě trochu suchá disciplína. Biologická část chemie mě víc napojuje na přírodu a vše kolem ní. Připadá mi úžasné pozorovat, jak vypadá buňka a co všechno se v ní děje.

\\  Velká biologie vás nelákala? Třeba zvířata nebo rostliny?

Mám hodně ráda přírodu, ale do hloubky jsem se jí vlastně nikdy nezabývala. Na střední škole jsem se ponořila rovnou do biologického mikrosvěta. Pro mě je tím fascinujícím objektem buňka, ať už z pohledu mikroorganismu, nebo její vnitřní život včetně signalizačních drah a interakcí mezi proteiny. Když se do toho zahloubáte, uvidíte, jak málo o tom všem stále víme, že je pořád co objevovat, a zjistíte, jak nesmírně zajímavý a komplexní svět sám o sobě to je.

\\  Z univerzity vaše cesta směřovala přímo do vědeckého ústavu. Na rozdíl od jiných mladých vědců a vědkyň jste zatím nevycestovala do zahraničí na delší pobyt, nepočítáme-li měsíc na Institutu Karolinska ve Švédsku. Plánujete v dohledné době výjezd za hranice?

Delší zahraniční pobyt jsem zatím skutečně nestihla. Už na konci doktorátu jsem totiž začala spolupracovat s bioinformatickou skupinou tady v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Jedná se o tým, který se zabývá teoretickými výpočty dvoudoménových proteinů. Její vedoucí Jiří Vondrášek mě tehdy požádal, jestli bych mohla experimentálně ověřovat jejich výpočty. Následně mi nabídl, že bych mohla založit vlastní experimentální tým jako součást bioinformatické skupiny.

\\  To byla jistě velká výzva pro začínající vědkyni. Dala jste jí tedy přednost před vycestováním na zkušenou?

Přesně tak. Dostala jsem šanci rozjet vlastní laboratoř. Cesta do zahraničí pro mě v tu chvíli byla méně lákavou alternativou, kde bych patrně pracovala na tématu, které nebude moje, a v laboratoři, jejíž chod bych nemohla příliš ovlivnit. Nicméně, abych odpověděla na předchozí otázku, ano plánuji v dohledné době vyjet někam do zahraničí, přeci jen po určité době vědec potřebuje získat nové zkušenosti a rozvíjet inspiraci v oboru. V prosinci nám začíná nový projekt programu Horizont Evropa, který umožňuje pobyt na zahraničních pracovištích, a to jak v Evropě, tak například i v Jihoafrické republice, ke které mám osobní vztah, tak snad z toho něco vyjde.

\\  K Jižní Africe se ještě dostaneme. Ale pojďme nejprve přiblížit bioinformatiku. Jde o dynamicky se rozvíjející obor, který umožňuje zpracovávat obrovské množství dat, jež mají biologové a chemici k dispozici, například sekvence DNA. Mluvily jsme o inspirativní živé biologii, zatímco bioinformatika je spíš o číslech. Kde se u vás tyhle vzdálené světy spojují?

Vůbec nejsou vzdálené. Právě v oblasti proteinové chemie se skvěle doplňují. Bioinformatika pracuje hlavně s biologickými daty DNA a RNA, z nichž vyplývají i informace o sekvencích proteinů. Díky vyspělým a velmi rychlým metodám sekvenace genetických kódů organismů tato data každým rokem exponenciálně narůstají. Bioinformatici provádějí analýzy, výpočty a predikce pomocí velkého množství dat a my, experimentální chemici, umíme jejich data zhmotnit do reálného materiálu, který poté studujeme.

\\  Přesto může jít o trochu odlišné světy – svět matematiky, výpočtů, algoritmů – a vedle něj sféra experimentu, zkumavek, laboratoří. Rozumíte si mezi sebou?

Naše pohledy bývají samozřejmě i odlišné, ale považuji to za úžasnou zkušenost. Experimentátor je většinou zvyklý být v laboratoři, manipulovat se zkumavkami a ovládat přístroje. Ale když má zároveň možnost být v přímém kontaktu s teoretiky, umožní mu to nahlédnout do selekce a analýz biologických dat, což je pro samotné experimenty v laboratoři velký přínos.

\\  Teoretici vám zadávají, co máte vyzkoušet v experimentu, nebo funguje spolupráce i naopak? Tedy že vy je poprosíte, aby namodelovali, co se stane, když třeba přidáte nějakou molekulu?

Funguje to oboustranně a někdy je to takový cyklus. Například když průběh experimentu ne zcela koresponduje s tím, co předpokládala teorie. Pak se zpětně vracíme k diskuzi s teoretiky, kteří na základě našich výsledků upraví vstupní parametry pro výpočty a vytvoří nové modelové situace, či přímo nové modely molekul.

\\  Vaše laboratoř se zabývá především proteinovým inženýrstvím, tedy vytvářením nových proteinů nebo jejich vylepšováním. O jaké proteiny konkrétně jde? Mluvíme o oblasti medicíny nebo jiném oboru?

Přesněji jde o strategické fúzování proteinových domén, což je poměrně nový směr v proteinové chemii a biochemii.
Využívá se například v medicínském výzkumu – v protinádorové imunoterapii – kdy se může například zacílit účinek protilátek vůči imunitním buňkám. Názorný příklad proteinového inženýrství jsme mohli sledovat i v případě vývoje covidových vakcín. U nás v laboratoři pracujeme jak na úrovni základního výzkumu, tak i v aplikační sféře. V prvním případě se snažíme objasnit, co se stane, když spojíme dvě proteinové molekuly nebo jejich části, například nás zajímá, jak se mění funkce dané části molekuly. Díky pochopení takového mechanismu jsme pak už jen krok od designu, který funkci molekuly může zefektivnit, může se jednat řádově až o tisíckrát lepší aktivitu dané molekuly. Takové zlepšení funkce proteinu pomáhá značně zefektivnit terapeutické účinky léčiv či ušetřit nemalé náklady v biotechnologickém průmyslu.

\\  Co se děje při fúzování molekul – předpokládám, že nejde jen o to, že spojíte různé molekuly a sledujete, co se stane?

Určitě ne. Je to složitější. Podle analýzy vstupních biologických dat připravíme detailní návrh nové molekuly. Metodou molekulového modelování nakombinujeme části sekvencí proteinů. Dá se říct, že si vystřihneme tu část molekuly, která je cílem naší studie, a tu potom kombinujeme s dalšími částmi odlišných proteinů. Pracujeme například s HIV proteázou, jejíž sekvenci modifikujeme na úrovni aminokyselin a poté ji kombinujeme s vhodnou částí proteinu z jiné molekuly z živočišné nebo rostlinné buňky. Vybrané části spojujeme na úrovni DNA, kterou si necháme syntetizovat, a daný protein si poté pomocí DNA sekvence vyrobíme expresí v biologických systémech, například v bakteriích nebo lidských buňkách.

\\  Jak víte, které části proteinů máte spojit a na kterých místech?

Vyžaduje to hodně příprav. Nejprve se podíváte do počítačového modelu molekuly, kde si zobrazíte molekulu v 3D a identifikujete vazebné či katalytické místo. Díky našim zkušenostem většinou poznáme, kde si můžeme dovolit useknout určitou nadbytečnou část molekuly a nechat si jen tu funkční, kterou chceme studovat. Proteinové domény, jež ohraničují různé funkce molekuly, jsou v dnešní době poměrně dobře popsané, pořád ale zůstávají důležitým předmětem studií. Vědci po celém světě se snaží pochopit, jak vlastně protein designuje sama příroda. Tomuto přirozenému designu totiž ještě příliš nerozumíme. Je natolik komplexní, že se jeho vysvětlení nedobereme bez pomoci moderních přístupů umělé inteligence a strojového učení.

\\  Mluvíme o doménách proteinu, zmínili jsme i termín dvoudoménové proteiny. Zkusme přiblížit, o co jde a jaká je struktura proteinu.

Dá se říct, že doména definuje část funkce proteinu. Domény jsou často v proteinu spojené pomocí méně uspořádaných ohebných oblastí, které umožňují určitou volnost pro dynamiku celého systému. Protein je obecně charakterizován několika úrovněmi. Ta primární je definována řetězcem po sobě jdoucích aminokyselin, na sekundární úrovni pak postranní řetězce interagují a spojují se v různých částech jednoho řetezce. Terciární úroveň popisuje 3D uspořádání složeného řetězce. Právě terciární úroveň slouží k pochopení funkčního neboli nativního stavu proteinu.

\\  Mohli bychom zkusit uvést nějaký příklad proteinu a jeho struktur? 

Krásným příkladem jsou třeba iontové transportní kanály, kterým jsem se věnovala během doktorského studia. Konkrétně šlo o tranzientní receptorové potenciálové receptory (TRP), umístěné v membráně buňky. Samotný kanál není funkční, pokud netvoří tetramer, to znamená, dokud není formován čtyřmi jednotkami identických řetězců proteinu. Až teprve tyto čtyři části spolu sestaví kompaktní strukturu, která ve svém středu tvoří transportní pór pro ionty.

\\  Pojďme od teorie k praxi. Vedle základního výzkumu se věnujete také aplikacím. Můžete nějaké konkrétní zmínit?

Věnujeme se více oblastem, což považuji za velkou výhodu proteinového inženýringu. Pronikneme tak do různých oborů, což je velmi obohacující. Pohybujeme se například v oblasti medicíny, kdy navrhujeme specifické modifikace zacílení rakovinových imunoterapeutik. Imunoterapeutická léčba je velmi drahá a umí být efektivní, ale často se při ní vyskytují nepříjemné vedlejší účinky dané mimo jiné nespecifickým zacílením, tedy tím, že látka působí i na jiné než rakovinové buňky.

\\  Vaším úkolem je tedy upravit danou látku tak, aby uměla lépe zacílit na správné místo?

Ano, pracujeme pouze s částmi protilátek a snažíme se je modifikovat tak, aby měly vyšší specifitu vůči tumorovým buňkám. Jinými slovy, aby cílily přesně tam, kde mají, a neohrožovaly zdravé buňky. Na tomto projektu jsme začali pracovat s kolegy z Yaleovy univerzity, nyní se už blížíme k podání patentu a hledáme zájemce o technologii mezi biotechnologickými a farmaceutickými společnostmi.

\\  Můžete zmínit ještě jiný projekt, na kterém zrovna pracujete?  

Další aplikace je také z oblasti medicíny a týká se použití mimo jiné v dentální chirurgii. Díky analýze molekuly, která je přítomná při výstavbě zubní skloviny, se nám podařilo charakterizovat nové peptidy, což jsou krátké části proteinů s antimikrobiální aktivitou. Na projektu jsme pracovali s Vysokou školou chemicko-technologickou v Praze, společným výstupem je podaná patentová přihláška. 

\\  K čemu by mohlo vaše zjištění pomoct? Kde by se dalo oné antimikrobiální aktivity využít?

Aktuálně již spolupracujeme s univerzitou v norském Oslu a její přidruženou dentální klinikou, kde tyto antimikrobiální peptidy navazujeme na titanový materiál, který je běžným základem dentálních náhrad. Jedna z našich doktorandek nedávno strávila dva měsíce v Norsku, kde vyvíjela technologii pro navázání antimikrobiálních peptidů přímo na vzorky titanových náhrad a studovala, zda byla aktivita peptidů zachována. 

\\  Kolik lidí vlastně máte v týmu? Jde o doktorandy nebo i mladší studenty?

Mám v týmu tři doktorandy a jednoho postdoktoranda, je nás tedy i se mnou pět. Zatím nemáme nikoho ze zahraničí, ale to se bude zřejmě v dohledné době měnit i v souvislosti s již zmíněným nabíhajícím evropským Horizont projektem. 

\\  Mají nynější studenti zájem o proteinové inženýrství?

Většina lidí z mého týmu, kteří se dnes zabývají proteinovým inženýrstvím, původně přišla z molekulární biologie, která pracuje převážně s DNA. Studenti mi často říkají, že DNA všechno vydrží a práce s ní je o dost snazší a že teprve s pro-
teiny poznali pořádnou výzvu. Udržet protein v nativním stavu, tedy aby byl stabilní a plně funkční a my s ním mohli získat validní výsledky, totiž není jen tak. Proteinová chemie je složitější ve srovnání s molekulární biologií. Takže ano, zájem mají ti studenti, kteří si chtějí vyzkoušet něco trochu náročnějšího a zároveň se stále posouvat vpřed díky poměrně novému odvětví chemie. 

\\  Od takové náročné práce je třeba si občas odpočinout. Co vás vedle chemie a biologie baví? Čím relaxujete?

Pracovní čas hodně kompenzuji pobytem v přírodě, miluju túry, výlety, kempování. Než přišel covid, tak jsem i hodně cestovala, což se dalo s vědou docela dobře kombinovat. Díky různým konferencím jsem procestovala Japonsko, Austrálii, Spojené státy, ale třeba také jihoamerické Peru.

\\  A co Jižní Afrika? Tu jste také poznala, ale jako malá holčička. Jak jste se tam dostala, s rodiči? 

Ano, díky rodičům. Táta studoval jadernou chemii na VŠCHT, kde začal i doktorát. Po sametové revoluci se ale rodiče chtěli podívat do zahraničí, tak jsme odjeli do Afriky. Nakonec jsme tam strávili dva roky.

\\  Kolik vám tehdy bylo a jak na pobyt na jihu afrického kontinentu vzpomínáte?

Bylo mi mezi třemi až pěti lety. Vzpomínek mám hodně, i když některé jsou takové útržkovité. Třeba si pamatuju, že jsme ve školce každý den dostávali k obědu krupicovou kaši, nikdy nic jiného. Vidím to jako dnes, museli jsme sedět způsobně u stolu, ruce za zády za židličkami, nesměli jsme se pohnout a kolem nás chodily paní učitelky s velkými lavory naplněnými kaší. V tu chvíli bylo naším jediným přáním dostat tu nejvíc kakaovou kaši, v některých lavorech totiž byla kaše bez kakaa. Život v Africe byl pro mě jedno velké dobrodružství plné nástrah a jedinečných vzpomínek. Moc bych si přála se tam znovu podívat.    

\\  Zmínili jsme vašeho otce, který je také chemikem, chemií se zabývá i váš bratr. Dokonce spolu vedete rodinnou firmu Art Carbon, která nabízí technologie na čištění vody pomocí uhlíkových nanotrubic. Pomáháte firmě v oblasti výzkumu, nebo jde naopak o činnost, u které si od vědy odpočinete?

Je to spíš ta druhá část. Vývoj samotného nanomateriálu jde za bratrem Danielem a tatínkem, technologie je především o anorganické chemii, v té odborník nejsem. S bratrem se ale neustále snažíme vymýšlet nové aplikace, na kterých bychom spolu mohli pracovat, a samozřejmě mým zájmem je, aby více zasahovaly i do biologické sféry.

\\  O co například jde? V jaké oblasti můžete bratrovi pomoci?

Například by šlo využít fúzní proteiny designované proti určitým látkám, které v dnešní době nebezpečně znečišťují prostředí kolem nás. Velký problém je třeba s takzvanými PFAS, což jsou polyfluoroalkylové substráty. Hojně se vyskytují ve vodě i v půdě a mají silně negativní vliv na zdraví člověka, bylo již prokázáno, že způsobují rakovinu či neplodnost. S bratrem jsme právě na tuto problematiku podávali žádost o grant u Grantové agentury ČR.

\\  S aktivní účastí ve firmě souvisí i váš titul MBA, který si od loňského roku píšete za jménem?

Ne, s firmou to původně vůbec nesouviselo. Když jsem dostala šanci založit laboratoř a vlastní pracovní skupinu, neměla jsem žádné zkušenosti s vedením a koordinací práce týmu lidí. Chtěla jsem si proto rozšířit vzdělání v oblasti managementu a leadershipu. Studovala jsem obor management inovací a ten se mi nakonec hodí v obou oblastech, jak ve výzkumu, tak ve firmě.  

\\  Zmínili jsme v průběhu rozhovoru několikrát velký mezinárodní projekt Horizont Evropa, který spouštíte letos v prosinci. Čeho se bude týkat?

Tímto novým projektem se vracím k environmentálním tématům, k nimž jsem tíhla už během studií. Mimo jiné budeme mít možnost navrhovat a vylepšovat nové enzymy vhodné pro degradaci plastů. Budeme mít příležitost pracovat s tisícovkami nových proteinových sekvencí, které v oceánech po celé planetě za desítky let nasbírala vědecká plachetnice Tara Oceans. Naše skupina Bioinformatika se přidala k mezinárodnímu konsorciu BlueRemediomics, které přímo navazuje na projekt TaraOcean Foundation. Pro nás pro všechny je to velice inspirující a těší nás, že můžeme alespoň trochu přispět k obnově zničené planety.

Rozhovor vyšel v časopise Akademie věd ČR A / Věda a výzkum 4/2022, na str. 40–47.

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Přečtěte si také

• Čeští vědci spolupracují na vývoji ekologických a levných solárních článků
• Nebezpečné látky obsažené v náplních elektronických cigaret poškozují plíce
• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková
• Vědci vyvinuli novou kontrastní látku, která pomůže včas odhalit skryté nemoci
• Rostliny v sobě mají neuvěřitelné chemické bohatství, říká Tomáš Pluskal
• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi