Vienos molekulės galia – nustebsite, ką išdarinėja šiuolaikiniai biologai

Tai leido suprasti, kad ląstelė yra tarsi kamuolys, kurio sienelė sudaryta iš takaus lipidinio (riebalų molekulės) dvisluoksnio su į jį įsiterpusiais baltymais, o to kamuolio vidus užpildytas organelėmis (branduoliu, mitachondrijomis ir kt.), bei vandenyje tirpiais baltymais.

Kitaip tariant, ląstelė yra tarsi fabrikas, prikimštas įvairios mašinerijos, leidžiančios atlikti užduotis.

Nuo to laiko kaupėsi duomenys apie ląstelės sandarą – statiniai paveikslėliai su skirtingomis ląstelės dalimis. Vis labiau trūko kito aspekto – kaip charakterizuoti ląstelės „gyvenimą“ arba joje vykstančią kaitą.

Šią situaciją galima vaizdžiai iliustruoti taip – iš arklio nuotraukos negalima pasakyti, kokiu greičiu jis gali bėgti. Taigi labai trūko dinaminės informacijos apie ląstelės mašinerijos veiklą.

Tik prieš beveik 20 metų buvo pradėtai atlikinėti tokie reikalingi ląstelės smulkiausių sudedamųjų dalių – baltymų, DNR, lipidų, dinamikos tyrimai. Jiems labai pasitarnavo pavienių molekulių mikroskopijos vystymasis, už kurią 2014 metais buvo suteikta Nobelio premija.

Tokie eksperimentai yra vystomi ir Lietuvoje, Fizinių ir Technologijos Mokslų Centro Molekulinių Darinių Fizikos skyriuje. Pavienių molekulių tyrimai yra atliekami norint išsiaiškinti individualių molekulių savybes. Šie tyrimai yra tarsi priešprieša ansamblio tyrimams, kur individualių molekulių elgsena negali būti atskirta, ir todėl gali būti išmatuojama tik vidutinė tam tikro parametro (greičio, stiprio ir t.t.) vertė.

Daugelis tradicinių biologinių, cheminių ir fizikinių metodų yra nepakankamai jautrūs ir neleidžia stebėti vienos molekulės. Todėl pavienių molekulių fluorescencijos metodai, pasirodę prieš beveik 20 metų, papildė labai daug trūkstamų detalių iki tol tyrinėtuose procesuose, kurios nebuvo prieinamos tradiciniais metodais.

Šie metodai sulaukė labai didelio dėmesio ir nuo pat išradimo jie buvo ir vis dar yra tobulinami geriausiose pasaulio laboratorijose. Pirmasis pavienių molekulių eksperimentas buvo skirtas elektrofiziologinių reiškinių tyrimams – labai siauru elektrodu prisiliečiama prie ląstelės membranoje esančio baltymo kanalo ir matuojama juo keliaujančių molekulių kiekis bei greitis. Tačiau šis metodas tiko tik baltymams – kanalams.

Šiandien dėl pavienių molekulių tyrimų metodų gausos tapo įmanoma studijuoti įvairiausius procesus, pavyzdžiui – motorinių baltymų, esančių raumenyse bei kitose ląstelėse, judėjimą. Be to, dabar įmanoma tirti biologinių molekulių formos kitimus bėgant laikui ir atlikinėti biologinių molekulių sąveikos su prisijungimo partneriais tyrimus realiu laiku ir gyvoje ląstelėje.

Vienas mikroskopijos metodų, leidusių išgauti šią informaciją, yra Forsterio rezonansinės energijos pernaša – FRET, kuri labai tiksliai (pusės nanometro tikslumu) leidžia charakterizuoti atstumą tarp dviejų pažymėtų sąveikaujančių biologinių molekulių. Tai tapo tikru proveržiu.

Pavienių molekulių metodai yra labai svarbūs ir turi didelę įtaką optikos, elektronikos, biologijos ir chemijos mokslams. Biologinės mašinerijos: baltymų ir kitų kompleksų, tyrimai buvo riboti dėl ansamblinio matavimo ir tapo beveik neįmanoma tiesiogiai stebėti jų veikimo.

Pavyzdžiui, tik po to, kai pavienių molekulių fluorescencijos mikroskopija buvo panaudota tiesiogiai studijuoti jau minėtiems motoriniams baltymams, buvo aiškiai suprasta, kaip susitraukinėja raumenys. Tačiau šie tyrimai buvo riboti ir leido atlikti tik iš ląstelės išgrynintų baltymų tyrimus mėgintuvėlyje (in vitro), tačiau pastaruoju metu vis daugiau sėkmingų bandymų atlikti šiuos ir panašius eksperimentus gyvose ląstelėse pasirodo labai aukšto lygio mokslinėje spaudoje.

Taigi in vitro pavienių molekulių eksperimentai davė labai daug informacijos, o jų pritaikymas natūralioje aplinkoje turi didžiulį potencialą atskleisti tai, kaip vykstą įvairūs, ne vien akimi, bet ir labai geru mikroskopu nematomi, procesai mūsų organizmuose.

Jie galėtų būti pritaikyti studijuojant ypač sudėtingus procesus – kai tiriamųjų baltymų ląstelėje kiekis yra labai mažas, o ši informacija yra ypač svarbi farmacijos pramonei.