Proteínové inžinierstvo...predstavuje prvý zásadný krok smerom k všeobecnejšej schopnosti molekulárneho inžinierstva ktorá nám umožní štruktúrova? hmotu atóm po atóme.
Kevin Ulmer - riaditeľ výskumu Genex Corporation

Bielkovinové hormóny a enzýmy sa selektívne naväzujú na iné molekuly. Enzým zmení štruktúru cieľovej molekuly a potom pokračuje ďalej; hormón naopak ovplyvňuje štruktúru cieľovej molekuly iba počas doby naviazania. Enzýmy a hormóny môžu by? opísané mechanistickým spôsobom, ale ich chovanie je častejšie opisované chemickou terminológiou.

Iné proteíny spĺňajú základnejšie mechanické funkcie. Niektoré tlačia či ?ahajú, niektoré plnia funkciu lán či priečok, a časti niektorých molekúl možno využi? ako výborné ložiská. Svalstvo napríklad využíva mnohé bielkoviny ktoré sa natiahnu, uchopia "lano" - taktiež tvorené bielkovinou - potiahnu ho, potom sa natiahnu znova aby vytvorili nový úchop; kedykoľvek sa pohnete, využívate práve tieto stroje. Améby a ľudské bunky sa hýbu a menia tvar vďaka vláknam a tyčiam ktoré slúžia ako molekulárne svaly a kosti.Zvratný mnohorýchlostný motor poháňa baktérie naprieč vodou otáčajúc telesom v tvare šrúbu. Keby domáci kutil dokázal vyrobi? malinkaté autíčka okolo týchto motorov, niekoľko miliárd miliárd by sa mu zmestilo do vačku, 150 prúdové diaľnice by sa dali postavi? vo vnútri vašich najjemnejších kapilár.

Jednoduché molekulárne zariadenia sa vzájomne kombinujú v systémoch ktoré pripomínajú priemyselné stroje. V 50tych rokoch 20.storočia vyvinuli inžinieri zariadenia ktoré rezali kov na základe informácií z dierkovanej pásky. Storočie a pol predtým vyvinul Joseph-Marie Jacquard vreteno ktoré vypletalo komplexné obrazce na základe informácií dodaných z re?azca diernych štítkov. Avšak už 3 miliardy rokov pred Jacquardom vyvinuli bunky ribozómy. Ribozómy sú dôkazom že nanostroje zložené z bielkovín a RNA môžu by? naprogramované pre výstavbu komplexných molekúl.

Alebo pomyslime na vírusy. Jeden druh, T4 fág, sa chová ako strunou natiahnutá injekcia a vyzerá ako niečo z katalógu náhradných častí. Dokáže sa prilepi? k baktérii, vypichnú? do jej membrány dierku a vstreknú? virálnu DNA - ano, aj baktérie podliehajú infekcii. Tak ako imperátor získavajúci pod kontrolu jednotlivé fabriky aby mohol vyrába? ďalšie tanky, nariaďuje táto DNA bunkovým strojom aby vyrábali ďalšiu virálnu DNA a ďalšie injekcie. Ako všetky organizmy, i tieto víry existujú najmä preto že sú relatívne stabilné a úspešné pri vytváraní svojich kópií.

Či už v bunke alebo mimo nej, nanozariadenia poslúchajú prírodné zákony. Prirodzené chemické väzby držia ich atómy pohromade a prirodzené chemické reakcie - riadené inými nanozariadeniami - ich tvoria. Bielkovinové molekuly sa dokonca do zariadení môžu spája? bez akejkoľvek špeciálnej pomoci využívajúc iba tepelné hemženie a chemické sily. Zamiešaním vírových bielkovín - a DNA ktorej slúžia - v testovacej skúmavke, skonštruovali molekulárny biológovia funkčné T4 víry. Táto schopnos? je prekvapivá : predstavte si že do veľkej krabice nahádžete automobilové diely, zatrasiete ňou a získate automobil! Avšak vírus T4 je iba jednou z mnohých
seba-sa-konštruujúcich štrukúr. Molekulárny biológovia rozobrali ribozomálnu mašinériu na 50 rozličných bielkovín a RNA molekúl aby po ich skombinovaní v skúmavkách opä? získali funkčné ribozómy.

Aby sme pochopili ako to funguje, predstavme si ako rozličné bielkovinové re?azce fágu T4 voľne plávajú vo vode. Každý z nich sa zroluje a zformuje tak zhluk s istým rozložením hrbolov a preliačín, pokrytých istým daným vzorom maziva, vlhka a elektrického náboja. Predstavme si ako putujú a rotujú pod vplyvom tepelných vibrácií okolitých vodných molekúl. Raz za čas dve z nich do seba narazia a následne sa odrazia. No niekedy sa zrazia a zapadnú do seba, hrboly do dier; zapadnú do seba a začnú spolu drža?. Takýmto spôsobom sa pridáva bielkovina k bielkovine tvoriac časti víru ktoré následne tvoria celok...

Bielkovinový inžinieri nebudú potrebova? nanoramená a nanoruky aby skonštruovali komplexné nanostroje. No i napriek tomu budú drobné manipulačné zariadenia potrebné a budú postavené. Tak ako dnešný inžinieri stavajú komplexné prístroje od klávesníc až po robotické ramená pomocou obyčajných motorov, ložísk a iných pohyblivých častí, tak budú biochemici zajtrajška schopný využíva? bielkovinové molekuly ako motory, ložiská a pohyblivé časti k vytvoreniu robotických ramien ktoré budú schopné narába? s jednotlivými molekulami.


Tvorba pomocou proteínov

Ako ďaleko sme pokročili v tejto oblasti? Prvé kroky už boli urobené no množstvo práce je ešte stále pred nami. Biochemikom už sa podarilo zmapova? štruktúru mnohých bielkovín. Pomocou prístrojov využívaným v genetike dokážu vyrobi? DNA re?azce vďaka ktorým nám bunky postavia bielkovinu ktorú sme navrhli. No stále ešte nevedia ako navrhnú? re?azce ktoré sa zrolujú do výsledných proteínov očakávaných tvarov a funkcií. Sily vďaka ktorým sa bielkovina zroluje, či inak povedané získava terciálnu štruktúru, sú veľmi slabé; číslo možných spôsobov ktorými sa bielkovina môže zrolova? je astronomické, preto návrh veľkej bielkoviny nieje vôbec jednoduchý.

V prvom rade možno poveda? že sily vďaka ktorým sa proteíny navzájom spájajú sú tie isté sily ktoré su zodpovedné za ono "zamotanie" proteínových re?azcov. Rozdielnos? v tvaroch a druhoch jednotlivých aminokyselín - ktoré možno chápa? ako ony hrboľaté molekulárne perly formujúce proteínové re?azce - dovoľujú každej bielkovine zamota? sa do špecifického tvaru umožňujúc tak vytvorenie jedinečného objektu. Biochemici získali niekoľko základných pravidiel ktoré naznačujú ako sa re?azec aminokyselín zamotá, no na ich platnos? sa nemožno vždy spoľahnú?. Snaha predpoveda? ako sa re?azec nakoniec zauzlí sa dá prirovna? k vyriešeniu skladačky, no takej skladačky na ktorej nieje namalovaný obrázok z ktorého pochopíme kedy je spojenie jednotlivých častí istotne správne, s jednotlivými kúskami ktoré sa tvária že do seba zapadajú mnohými spôsobmi, z ktorých je však iba jeden jediný ten správny. Vychádzajúc z nesprávneho konca, nemusíme k správnemu výsledku dospie? ani po stáročiach. Biochemici ani pomocou najlepších momentálne dostupných počítačových programov nedokážu predvída? ako sa dlhý prirodzený proteínový re?azec zauzlí. Niektorí z nich začali vážne pochybova? o tom že sa nám v blízkej budúcnosti podarí navrhova? bielkovinové molekuly.

No väčšina biochemikov sú vedci a nie inžinieri. Ich práca spočíva v predvídaní ako sa prírodné bielkoviny zauzlia, a nie v navrhovaní bielkovín ktoré sa zauzlia tým a tým spôsobom do toho a toho tvaru. Tieto úlohy sa na seba možno na prvý pohľad podobajú , ale rozdieľ je obrovský: prvá je výzvou vedeckou, druhá je výzvou pre inžiniera. Prečo by sa bielkoviny mali zauzli? do proteínov ktoré dokážu vedci ľahko predvída?? Príroda od bielkovín nevyžaduje aby sa zrolovali spôsobom jednoducho uchopiteľným pre človeka, no vyžaduje aby sa zrolovali správne.

Proteíny môžu by? navrhnuté od začiatku s jednoznačným cieľom urobi? proces ich zmotávania ľahšie pochopiteľným. Carl Pabo píšúci pre časopis Nature predložil stratégiu podloženú týmto náhľadom. Niektorí biochemickí inžinieri navrhli a vystavali krátke re?azce z niekoľkých tuctov častí ktoré sa zmotajú a uhniezdia na povrch iných molekúl tak ako sa od nich očakáva. Od základov navrhli bielkovinu s vlastnos?ami melitínu - toxínu ktorý sa nachádza vo včelom jede. Pozmenili jestvujúce enzýmy, upravujúc ich chovanie v mnohých oblastiach. Naše znalosti o bielkovinách rastú každým dňom.

Biológ Garrett Hardin tvrdí že v roku 1959 považovali niektorí genetici genetické inžinierstvo za holú nemožnos?, dnes je z neho priemysel. Biochémia a dizajn pomocou počítačov sú momentálne oblasti prežívajúce nesmierny boom, a ako napísal Frederick Blattner do časopisu Science "počítačové šachové programy už dosiahli úroveň majstrov. Možno je riešenie problému týkajúceho sa zmotávania bielkovín bližšie ako si myslíme". William Rastetter z Genetechu, píšúci pre Applied Biochemistry and Biotechnology sa pýta "Ako vzdialený je de novo návrh a syntéza enzýmov? Desa?, pä?nás? rokov? " Odpovedá - "Možno nie až tak ďaleko".

Množstvo výskumníkov na univerzitách a v priemyselných laboratóriách celého sveta už zahájilo teoretickú prácu a experimenty s ňou súvisiace zacielenú na vyvinutie molekulárnych spínačov, pamä?ových zariadení a iných štruktúr ktoré by mohli by? súčas?ou bielkovinového počítača. Výskumný ústav amerického námorníctva zorganizoval dva medzinárodné semináre týkajúce sa molekulárnych elektronických zariadení, Japonsko zahájilo multimiliónový program zacielený na vyvinutie seba-sa-konštruujúcich molekulárnych motorov a počítačov, a VLSI Research Inc. z San Jose oznamuje "Zdá sa že pretek v oblasti biochipov [ čo je ďalší názov pre molekulárne elektronické systémy ] sa už začal. NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki a Sharp odštartovali rozsiahle výskumné projekty v oblasti biochipov a biopočítačov".

Biochemici majú aj iné dôvody prečo sa chcú nauči? umeniu bielkovinového dizajnu. Nové enzýmy sú prísľubom že špinavé a drahé chemické procesy budeme môc? realizova? lacnejším a čistejším spôsobom, tieto nové bielkoviny biotechnológom poskytnú širokú škálu nových nástrojov. Ľudstvo už vykročilo na cestu bielkovinového inžinierstva a a ako poznamenáva Kevin Ulmer v citáte zo Science ktorý je v hlavičke tejto kapitoly, táto cesta vedie "k oveľa všeobecnejšej schopnosti molekulárneho inžinierstva ktorá nám umožní štruktúrova? hmotu atóm po atóme".