Wyniki badań z zakresu biologii molekularnej, w które zaangażowani byli prof. Aleksander Weron i dr hab. Krzysztof Burnecki, prof. PWr z Wydziału Matematyki, zostały opublikowane w ostatnim październikowym numerze „Nature”, jednym z najstarszych i najbardziej prestiżowych interdyscyplinarnych czasopism naukowych 

Artykuł pod tytułem „Single-molecule imaging reveals receptor-G protein interactions at cell surface hot spots” został przygotowany przez międzynarodowy zespół naukowców, w skład którego, oprócz matematyków z Politechniki Wrocławskiej, wchodzili: dr Titiwat Sungkaworn, biolog molekularny z Bangkoku, dr Marie-Lise Jobin, biochemik z Bordeaux, prof. Martin J. Lohse, farmakolog z Würzburga i lider zespołu prof. Davide Calebiro, endokrynolog z Birmingham.

Celem projektu było wyznaczenie na powierzchni żywych komórek biologicznych miejsc, w których dochodzi do interakcji pomiędzy receptorami komórkowymi i białkami G mogącymi pobudzać lub hamować działanie receptorów. O ważności tej problematyki dla nauki świadczy Nagroda Nobla z Chemii przyznana Brianowi Kobilce i Robertowi Lefkowitzowi w 2012 r. za pionierskie badania wyjaśniające funkcjonowanie receptorów sprzężonych z białkiem G.

Eksperymenty były przeprowadzane w  laboratorium Rudolf Virschow Center na Uniwersytecie w Würzburgu m.in. przy użyciu najnowszych technik mikroskopii fluorescencyjnej. W  ten projekt nasi naukowcy byli zaangażowani od maja 2014 r. Wcześniej prof. Aleksander Weron, kierujący grantem Maestro z zakresu „Anomalnej dynamiki  złożonych systemów fizycznych i biologicznych”, nawiązał bezpośredni kontakt z prof. Davide Calebiro. Było to wynikiem oficjalnego rekonesansu naukowego delegacji PWr na Uniwersytecie w Würzburgu, zorganizowanego przez ówczesnego rektora prof. Tadeusza Więckowskiego, w celu rozwoju współpracy naukowej między obu uczelniami.

Badania pomogą w leczeniu nadciśnienia, astmy i choroby Parkinsona

W badaniach prowadzonych w laboratorium prof. Calebiro chodziło o wyznaczenie i zrozumienie zasad interakcji występujących pomiędzy białkami G i receptorami. Jest to niezwykle ważne z punktu widzenia biologii molekularnej oraz medycyny, ponieważ poznanie zasad tego współdziałania jest kluczowe w leczeniu np. nadciśnienia, astmy czy też choroby Parkinsona. 

Obecnie stosowane leki mogą jedynie aktywować albo dezaktywować receptory. W przyszłości można będzie zmieniać dynamikę ruchu receptorów i białek G bezpośrednio na powierzchni błony komórkowej wpływając na intensywność interakcji. W opinii prof. Davide Calebiro, perspektywa stworzenia nowej generacji leków dzięki  odkryciu „hot spotów” może zdecydowanie poprawić  efektywność i jakość leczenia. 

Zadaniem naszych matematyków w tym projekcie było opracowanie skutecznych algorytmów oraz metod numerycznych i statystycznych na znalezienie „hot spotów” na powierzchni błony żywych komórek biologicznych. W tym celu konieczne było zaproponowanie matematycznego modelu dynamiki białek G i receptorów. Zastosowano tu techniki stochastyczne służące do modelowania zjawiska anomalnej dyfuzji, którymi od 10 lat intensywnie zajmuje się zespół prof. Aleksandra Werona.

– Za  pomocą zaproponowanego przez nas podejścia można było odpowiedzieć m.in. na pytania, gdzie pojawiają się te interakcje, jak długo trwają i które są efektywne, a które nie. Okazuje się bowiem, że czasami białka G zbliżają się do receptorów komórkowych, ale pomiędzy nimi nie zachodzą żadne reakcje – wyjaśnia dr hab. Krzysztof Burnecki, prof. PWr.

Przy realizacji projektu nasi naukowcy mieli sporo ograniczeń, bo chociaż współpracowali  już wcześniej z biofizykami i biologami, to jednak ich eksperymenty nigdy nie dotyczyły aż tak specyficznej kategorii molekuł jak białka czy receptory oraz ich interakcji.

Część rozwiązań zaproponowanych przez badaczy z PWr okazała się bardzo skomplikowana i trudna do wykorzystania przez grupę biologiczno-medyczną. Współpracę interdyscyplinarną i wymianę informacji bardzo usprawnił  fakt, że prof. Davide Calebiro biegle wykorzystuje środowisko MATLAB, czyli popularne na PWr narzędzie do obliczeń numerycznych, analiz i symulacji. – W razie trudności można się było zawsze porozumieć z nim na poziomie kodów MATLABA – dodaje prof. Aleksander Weron.

– Staraliśmy się dopasować do pojawiających się problemów wykorzystując różne narzędzia matematyczne, takie jak np. ukryte modele Markowa i przygotowując algorytmy służące do analizowania efektywnych interakcji pomiędzy białkami G i receptorami – mówi dr hab. Krzysztof Burnecki, prof. PWr.

Kontynuująca współpracy

To nie pierwszy przypadek, w którym naukowcy z Centrum im. Hugona Steinhausa są zapraszani do współpracy przez międzynarodowe zespoły badawcze. Wcześniej realizowali wspólne projekty z uczelniami, instytutami i laboratoriami z biologii molekularnej m.in. z Izraela, Stanów Zjednoczonych i  Niemiec.

Warto przypomnieć, że na początku października prof. Aleksander Weron znalazł się w gronie laureatów konkursu Beethoven 2 organizowanego przez Narodowe Centrum Nauki, który finansuje projekty badawcze realizowane wspólnie przez polsko-niemieckie zespoły naukowców. Nasz badacz otrzymał grant w wysokości ponad 800 tys. zł na projekt „Matematyczne i fizyczne modelowanie danych typu Big Data dla eksperymentów Single Particle Tracking”. Tym razem współpraca będzie prowadzona z niemieckim zespołem z Poczdamu kierowanym przez prof. Ralfa Metzlera.

Warto również dodać, że pierwszym znanym polskim matematykiem współpracującym z biologami i medykami był prof. Hugo Steinhaus, który jeszcze we Lwowie w 1938 r. skonstruował, a następnie opatentował w USA (1948) oraz w Polsce (1952) tzw. introwizor – urządzenie będące prekursorem współczesnego tomografu komputerowego.

– Ponadto, w latach 1965-68 opublikował on serię sześciu wspólnych prac z biologii molekularnej na temat chromosomów, telomerów i centromerów w komórkach ludzkich. Zatem sukces w postaci publikacji w „Nature” można uznać jako kontynuację tradycji Szkoły Matematyki Stosowanej stworzonej we Wrocławiu przez prof. Hugona Steinhausa w latach 1945-1972 – mówi  prof. Aleksander Weron.

mic