O početcima imunološkog sustava
O početcima imunološkog sustava
Pratio sam njene objave. Njena majka bližila se odlasku sa svakim novim danom, premda smo se svi nadali suprotnom. Njeno umorno lice govorilo je teško prihvatljivu istinu. Virusi, čudna su bića, jezovito drevna, toliko drevna da smo mi tek infinitezimalan dio vremenske crte njihovog postojanja. Mogu stvoriti kako blagodati tako i neopisive osobne patnje. Nakon što je majka otišla, pratio sam njene fotografije, lutala je europskim cestama i radnim mjestima od Njemačke preko Irske i natrag do Istre. Lutala je, a ja bih se katkad prisjetio njene majke. Ne znam zašto.
Što je to imunološki sustav? Zaboga, o tome postoje kolegiji na fakultetima, pojam je koji se vrti po društvenim mrežama, baš kao i u marketingu. Svi bismo voljeli nešto reći o njemu, rijetko kada se zapitamo kako je sve počelo. Jedno je sigurno: nije uopće započelo onako kako je teklo njegovo otkriće. Ilya Ilitch Metchnikov otkrio je osnove stanične obrane, stanične imunosti, a Emil von Behring i Shibasabura Kitasato uveli su nas u svijet protutijela, humoralne imunosti, ali to su tek mlađahna djeca u dugoj povijesti imunološkog sustav. Tu nije započela bitka. Bitka je započela na potpuno drugoj razini, razini nukleinskih kiselina, DNK i RNK i tu se rasplamsavala dok još nije bilo ni stanica niti protutijela.
Godine 1950. Mary Human radila je za već tada cijenjenog profesora Salvadora Luria, talijanskog emigranta u SAD-u, koji je pobjegao od ludila drugog svjetskog rata. Mary se bavila bakteriofagima, virusima koji napadaju bakterije. Pomalo zbunjena Mary jedan je dan zaboravila uzgojiti bakteriju Escherichia coli koju je koristila u istraživanju. Odlučila je umjesto nje koristiti u eksperimentu bakteriju Shigella dysenteriae, uzročnika crijevne infekcije. Mary je proučavala bakteriofag T2 koji se neobično promijenio u bakteriji Escherichia coli. Rastom u njoj, umjesto da ubija bakteriju, T2 bakteriofag jedva bi uspio inficirati nove Escherichia-e. Taj dan, kako je uzela bakteriju Shigella dysenteriae, T2 bakteriofag je ponovo sretno rastao. Po svim tada mjerljivim karakteristikama, taj je bakteriofag nije se promijenio šetnjom između te dvije vrste bakterije. Šlampavost i rastrešenost stvorila je biotehnologiju.
Započeo je dugotrajan rad da se otkrije zašto se to dogodilo i više grupa diljem svijeta pokušalo je pronaći odgovor na to pitanje. Otkriće će u potpunosti promijeniti ne samo našu percepciju imunološkog sustava, već će unijeti revoluciju u biotehnologiju i znatno ubrzati nova otkrića.
Davno prije postojanja eukariota, što uključuje i ljude, postojale su bakterije i arheje, ali su i postojali virusi koji ih napadaju. Morale su razviti obranu, no obrana nije mogla biti niti teoretski slična našoj. Oni su bili jedna stanica, nisu mogle imati luksuz poput nas ljudi staničnih linija zaduženih samo za obranu Nisu mogli stvarati ni protutijela. Bitku su trebale dobiti na razini DNK i RNK. Bakteriofagi sadrže DNK (rjeđe RNK) i bakterije su stvorile enzime koje mogu cijepati virusnu DNK kad bi prepoznale točno određene fragmente DNK. Ako virusu pocijepaš DNK, logika je bila jednostavna, ubit ćeš ga. To doista odlično funkcionira. No, postavlja se pitanje, a kako su zaštitile svoju vlastitu DNK da ju ne razgrade kao virusnu DNK?
Bakterije su našle način. Zaštitile su svoju DNK tako da ju kemijski promijene. Najdraži im je način tako da obilježe svoju DNK jednim ugljikovim atomom (metilnom skupinom). Strategija je bila genijalna – njihova je DNK zaštićena, a enzimima kao laserima režu virusnu DNK. Kako takvi enzimi izazivaju restrikciju (ograničenje) da virus napadne bakteriju, enzimi su nazvani restrikcijski enzimi (1). No, strategija nije mogla trajati vječno, nezgodan pojam evolucijske utrke upetljao je svoje prste. Neki bakteriofagi su našli način da zaštite svoju DNK. T2 bakteriofag s kojim je radila Mary Human našao je način da kemijski promijeni svoju DNK. Tako promijenjena DNK virusa bi nakon ulaska u bakteriju potaknula bakteriju da na DNK vežu šećer. To bi ih štitilo od napada restrikcijskih enzima i bakteriofag bi mogao napadati bakterije (2).
Igrom sretnih okolnosti, Escherichia coli koju su koristili Mary Human i Salvador Luria imala je „genetski defekt“. Naime, nije imala spoj koji bi omogućio vezanje šećera na virusnu DNK. Ulaskom u bakteriju, bakteriofag bi pustio svoju DNK, no kako Escherichia coli nije na nju mogla vezati šećer, DNK T2 bakteriofaga ostala bi nezaštićena i bakteriofag nije mogao dalje rasti. No, kad se takav bakteriofag prebacio u drugu vrstu Shigella dysenteriae, ta je vrsta mogla vezati šećer za DNK bakteriofaga i on bi ponovo postao smrtonosan. Salvador Luria koristio je vrlo simpatične izraze – „slatki“ bakteriofag je bio onaj koji je bio zaštićen od obrambenog sustava bakterije, a „kiseli“ je bio onaj koji je bio osjetljiv (3). Kada su objavili svoj rad 1952. godine, tek je započela dugotrajna trka za enzimima koji su za to zaduženi. U to doba čak se nije niti znalo da metilacijom bakterija štiti vlastitu DNK od enzima koji poput škara režu DNK.
Godine 1970. Hamilton Smith i njegov tim prvi su izolirali restrikcijski enzim, škare koje režu DNK, iz bakterije Haemophilus influenzae i nazvali su ga Hind II. Ubrzo nakon toga nastala je eksplozija otkrića i otkriveno je stotine enzima koji režu točno određene sekvence. Primjerice, drugi enzim izoliran iz Haemophilus influenzae, Hind III, reže sekvencu na slici (4). On aktivno traži A A G C T T bilo gdje i jadan li je bakteriofag ukoliko ovaj enzim nađe tu sekvencu u njegovom DNK.
Uskoro su restrikcijski enzimi postale škare ne bakterija, već biotehnologije i molekularne biologije. Te škare su počeli koristiti znanstvenici kako bi velike molekule DNK rezali na manje fragmente, analizirali te koristili ukoliko žele stvoriti neki protein u laboratorijskim uvjetima. Postali su jedna od najvažnijih oruđa ne samo biotehnologije, već i proizvodnje biotehnoloških lijekova poput inzulina, ali i dijagnostike. Znatan broj ljudi poznaje danas pojam PCR, ali restrikcijski enzimi zaslužuju, po mom mišljenju, jednako važno, ako ne i važnije mjesto u povijesti znanosti. Pomogli su nam i da pojam imunološkog sustava preselimo daleko, daleko dalje od ljudskog. Jedna od najvažnijih funkcija znanosti oduvijek je bila da nas izliječi od antropocentričnosti, u prijevodu, egocentričnosti. Naš imunološki sustav tek je maleni dio daleko veće i daleko starije priče. Nije čovjek centar Zemlje, a kamoli svemira; nismo ni prvi niti posljednji. Puno, puno ružnih socioloških pojava današnjice otpor je ovom procesu liječenja ljudskog roda koji, paradoksalno, nije bolan, već radostan.
Pratio sam njene objave. Brala je masline, simbol mira i mudrosti. Sjetim njene mame i u one datume kada nam nije naređeno kao robotima da mislimo na one koji su otišli. Sjetim se, premda je nisam niti poznavao. Ne pamtim ju po slici maske s kisikom, nego ju vidim u pejsažima po kojima joj luta njena kćer, u očima njenih sada odraslih i predivnih unuka. Katkad bih volio da imam moć restrikcijskih enzima da izrežem bol iz uspomena pa da ostane samo sjeta. Sjeta je moćna i često prognana s menija jeftine prodaje sreće i života koji stalno mora biti „high“. Sjeta je nepoželjna i razorna, jer nas prijeti učiniti boljim verzijama sebe.
Restrikcijski enzimi tek su dio drevnog imunološkog sustava na razini DNK i RNK. U sljedećem dijelu naučit ćemo kako su znanja o tom sustavu postali lijekovi.
(1) Postoji niz drugih mehanizama kojim bakterija štiti svoju DNK, a ne samo metilacija. Vidjeti reference ispod.
(2) Takvi bakteriofagi umjesto baze citozina sadrže hidroksimetilcitozin koji „naredi“ bakteriji da na njega veže šećer i tako spriječi restrikcijske enzime bakterije da pocijepaju DNK bakteriofaga.
(3) Kako bih prevenirao olake zaključke površnog čitanja, slatko, šećeri i kiseo u ovom kontekstu virusa nema nikakve poveznice s ljudskom prehranom ili okusima.
(4) Postoji više klasa restrikcijskih enzima i neke imaju složenije mehanizme vezanja. Pogledati reference ili Wikipedia.
Za učiti više:
Sci Am. 1970 Jan;222(1):88-92 passim.
Nucleic Acids Res. 2014 Jan;42(1):3-19.
Nucleic Acids Res. 2013 Aug 29;42(1):56–69.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Apr 26;102(17):5905-8.
5/5