Jak zobaczyć to, czego nie pokaże standardowe laboratorium? Uniwersytet Jagielloński, poprzez Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, daje naukowcom i firmom dostęp do technologii pozwalających badać struktury biologiczne z niezwykłą precyzją. W ramach projektu Miesiąc Partnera Klastra poznaj możliwości NCPS SOLARIS UJ i sprawdź, jak od pytania badawczego przejść do danych na poziomie struktury cząsteczki.
Jak zajrzeć w strukturę białka, kapsydu wirusa lub innej cząsteczki biologicznej? Jak sprawdzić hipotezę badawczą lub zoptymalizować projektowany produkt, gdy standardowe metody laboratoryjne nie wystarczają? Odpowiedzi może dostarczyć Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, które oferuje technologie pozwalające badać struktury biologiczne z dokładnością bliską pojedynczym atomom.
Trzy metody, które się uzupełniają
W biologii strukturalnej sama wiedza o składzie cząsteczki często nie wystarcza. Liczą się też jej przestrzenna organizacja, zmiany pod wpływem różnych czynników i sposób oddziaływania z innymi cząsteczkami. Dlatego NCPS SOLARIS rozwija zaplecze oparte na trzech komplementarnych technikach:
- cryo-EM (krio-mikroskopia elektronowa) pozwala analizować cząsteczki w stanie zbliżonym
do naturalnego. Sprawdza się zwłaszcza tam, gdzie próbek nie da się łatwo skrystalizować. - krystalografia rentgenowska daje bardzo szczegółowe dane o strukturze próbek krystalicznych.
- SAXS (nisko kątowe rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego) pokazuje organizację i zmiany strukturalne cząsteczek oraz kompleksów w roztworze.
Metodę dobiera się do problemu, a nie odwrotnie. W bardziej złożonych projektach wyniki różnych technik wzajemnie się uzupełniają i składają w pełniejszy obraz badanego układu.
Kiedy struktura ma znaczenie dla produktu?
Informacja strukturalna jest cennym zasobem w biotechnologii, medycynie, farmacji i przemyśle spożywczym. Pomaga zrozumieć mechanizm działania układu, wskazać miejsca odpowiedzialne za jego właściwości i porównać zmiany zachodzące w różnych warunkach.
Dobrym przykładem są badania wirusów roślinnych. Analiza wirusa mozaiki tytoniowej z rozdzielczością ok. 2,5 Å pozwoliła szczegółowo opisać jego budowę i sposób tworzenia kapsydu. Taka wiedza to punkt wyjścia do prac nad mechanizmami infekcji i nad ograniczaniem strat powodowanych przez wirusy
w rolnictwie.
Drugi przykład dotyczy białek zaangażowanych w procesy chorobowe. W przypadku białka PAT4 analiza struktury ujawniła mechanizm jego aktywacji oraz rolę wybranych reszt aminokwasowych. Takie informacje wspierają dalsze badania nad chorobami zapalnymi i poszukiwanie sposobów modulowania tych procesów.
Wsparcie dla nowych terapii i szczepionek
Potencjał metod dostępnych w SOLARIS wykracza poza samo poznawanie struktur, a uzyskane dane mogą wspierać projektowanie nowych rozwiązań terapeutycznych.
Kolejny raz dobrym przykładem są kapsydy wirusowe wykorzystywane jako platformy do przenoszenia materiału biologicznego. W badaniach zmodyfikowanego kapsydu bakteriofaga MS2 analizowano, jak zmiana jego struktury może zwiększyć przestrzeń dostępną dla materiału terapeutycznego. To podejście wpisuje się w rozwój nowych platform szczepionkowych i systemów dostarczania substancji aktywnych.
Równie interesujące są białkowe klatki i nanokapsuły, które można modyfikować zarówno od wewnątrz, jak i na powierzchni. Ich funkcjonalizacja może w przyszłości umożliwić bardziej precyzyjne kierowanie cząsteczek do wybranych komórek. Połączenie wiedzy strukturalnej z projektowaniem właściwości biologicznych może być jednym z kluczowych elementów rozwoju takich technologii.
Nie tylko biologia
Choć metody SOLARIS są szeroko stosowane w biologii strukturalnej, ich zastosowania sięgają dalej. Promieniowanie synchrotronowe może wspierać projekty dotyczące nowych materiałów, przemysłu chemicznego, żywności, energetyki, rolnictwa czy technologii kwantowych.
SAXS umożliwia na przykład badanie zmian w materiałach i układach biologicznych pod wpływem wysokiego ciśnienia. W przypadku białek można obserwować ich zachowanie przy ciśnieniach sięgających 200 MPa, co pomaga zrozumieć, jak stabilne są struktury biologiczne w ekstremalnych warunkach. Takie możliwości przydają się zarówno w badaniach podstawowych, jak i przy rozwoju oraz optymalizacji nowych technologii.
Jeden problem, kilka perspektyw
Jednym z kierunków rozwoju centrum jest integracja cryo-EM, SAXS i krystalografii rentgenowskiej
w ramach wspólnej platformy biologii strukturalnej. To szczególnie ważne w projektach, w których jedna technika nie daje pełnego obrazu zjawiska. Połączenie metod pozwala spojrzeć na ten sam problem z kilku stron: od szczegółowej struktury, przez organizację większych kompleksów, po zachowanie cząsteczek
w warunkach zbliżonych do naturalnych. Zespoły badawcze i partnerzy biznesowi zyskują dzięki temu możliwość budowania bardziej kompleksowych projektów i lepszego dopasowania metod do pytania badawczego.
Współpraca dopasowana do problemu
SOLARIS jest infrastrukturą otwartą dla użytkowników z Polski i zagranicy. Korzystają z niej zespoły akademickie, instytuty badawcze i podmioty szukające rozwiązania konkretnych problemów technologicznych. W przypadku firm zasady współpracy ustalane są indywidualnie, z uwzględnieniem specyfiki zagadnienia i dostępnych metod.
Punktem wyjścia nie musi być gotowy plan eksperymentu. Wystarczy pytanie badawcze lub technologiczne, na które potrzebne są dane niedostępne w standardowym laboratorium. Zespół SOLARIS pomoże dobrać odpowiednią metodę i przygotować projekt do realizacji. Dzięki temu synchrotron może stać się elementem zaplecza badawczo-rozwojowego także dla tych, którzy dotąd nie korzystali z takiej infrastruktury.
Zacznij od problemu
Jeśli rozwijają Państwo produkt, technologię, terapię, materiał lub rozwiązanie biotechnologiczne
i potrzebują wiedzy o strukturze, właściwościach lub zachowaniu badanego układu, warto sprawdzić,
co może zaoferować SOLARIS. Nie trzeba zaczynać od wyboru techniki. Wystarczy zadać sobie pytanie:
co chcemy zobaczyć, zmierzyć lub zrozumieć? Resztę można ustalić wspólnie.
Zapraszamy do kontaktu z NCPS SOLARIS i rozmowy o możliwościach współpracy.
Kontakt:
Po więcej informacji odwiedź profil Uniwersytetu Jagiellońskiego na Platformie Współpracy LSOS.
Materiały do powyższego artykułu zostały dostarczone przez Uniwersytet Jagielloński