Elektrická pole jako fyzikální přepínač proteinů: vědci z Akademie věd ČR shrnují průlomový výzkum

Proteiny jsou základními „dělníky“ každé živé buňky: zajišťují trávení, přenos signálů v mozku, pohyb svalů i obranu organismu. „Správně nastavené elektrické pole dokáže tyto molekuly přesně a vratně přeladit, změnit jejich tvar, pohyb i funkci, a to zcela bezdotykově a bez jediné chemické látky,“ říká Michal Cifra, hlavní autor studie a vedoucí výzkumného týmu Bioelektrodynamika v Ústavu fotoniky a elektroniky Akademie věd ČR.

Takový přístup podle něj otevírá fascinující možnosti od šetrnějšího zpracování potravin a nových metod elektrostimulace až po ultrarychlé zobrazování biomolekul a vývoj zcela nové generace bionanotechnologických zařízení. „Představte si, že by tak bylo možné řídit chování bílkovin v živých buňkách pomocí elektrického pole, podobně jako přepínáte světlo vypínačem,“ dodává Michal Cifra.

Složitější, než se zdá

Elektrická pole ale nepůsobí na proteiny pouze přímo. Velkou roli hrají i nepřímé efekty prostřednictvím okolního prostředí, například přes molekuly vody nebo ionty rozpuštěné v buněčném roztoku.

„Cesta od laboratoře k praktickému využití vede nutně přes hluboké porozumění těmto mechanismům,“ upozorňuje Michal Cifra. Teprve až vědci pochopí, kudy a jak elektrické pole svůj vliv na protein skutečně uplatňuje, budou schopni cíleně navrhnout jeho optimální podobu se správným tvarem, frekvencí i intenzitou tak, aby dosáhli přesně požadovaného účinku a vyhnuli se nežádoucím vedlejším reakcím.“

Elektrická pole nabízejí zcela nový způsob, jak ovládat proteiny: bez chemie, bez kontaktu, s okamžitou odezvou. „Aby však tato myšlenka fungovala v praxi, musíme nejprve skutečně rozumět tomu, jak elektrická pole na molekulární úrovni působí. Naše práce ukazuje, že účinky nejsou vždy přímočaré, protože pole působí i skrz okolní prostředí, a právě to musíme umět předvídat a využít,“ vysvětluje Michal Cifra.

Další výzvy

Jeho tým nyní pracuje na výzkumu využití motorických proteinů. Ty mají za úkol chemickou energii, která je jako energetické platidlo všech živých buněk uložená v ATP (adenosintrifosfát), přeměňovat na mechanickou práci. Vědci chtějí použít různých forem elektrického a elektromagnetického pole k ovládání těchto proteinů, které se chovají jako molekulární motory a umožňují pohyb buněk i transport uvnitř nich.

„Výhodou je, že u nich lze účinek pole na jejich funkci sledovat okamžitě, podle změn polohy způsobených nanomechanickým působením,“ uvádí Michal Cifra. „Další velkou výzvou je zformulovat obecná fyzikální pravidla působení elektrického pole na proteiny tak, aby bylo možné už na základě struktury proteinu předvídat, jak bude na vnější elektrické pole reagovat,“ uzavírá vědec.

Studie týmu Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR byla nejprve v dubnu zveřejněna v online podobě. Nyní ji časopis Chemical Society Reviews zařadil také do svého tištěného vydání, a navíc ji vybral na titulní stranu.