Roman Jerala: “Naše celice so stroji, sestavljeni iz nano struktur”

Evropski raziskovalni svet (ERC) je pred kratkim odobril slovenskemu raziskovalcu dr. Romanu Jerali 2,5 milijona evrov za projekt MaCChines - Molekulski stroji na osnovi proteinskega origamija iz obvitih vijačnic. Ta odpira povsem nove možnosti uporabe proteinov v medicini, zlasti pri cepivih in zdravljenju raka, pa tudi pri izdelovanju novih materialov in na mnogih drugih področjih.

Lahko malce bolj podrobno in poenostavljeno pojasnite, kaj boste preučevali?

“Ukvarjamo se z načrtovanimi proteini. Proteini oziroma beljakovine so najpomembnejša sestavina vseh živih celic, ker katalizirajo kemijske reakcije, tvorijo strukturo, omogočajo gibanje in še več drugih procesov. Dejansko so stroji, ki v celicah delajo vse. Sestavljeni so iz zaporedja 20 različnih aminokislin in to zaporedje je tisto, ki določa njihovo funkcijo. Zanimivo dejstvo, na katerega pogosto pozabljamo, je, da je število možnih kombinacij zaporedja aminokislin proteinov astronomsko. Za dvesto aminokislinskih proteinov je možno večje število kombinacij, kot je atomov v vesolju, kar pomeni, da v naravi nikoli ni bilo in ne bo možno narediti vseh možnih proteinov. Narava je izbrala samo en set proteinov, z racionalnim načrtovanjem pa lahko naredimo proteine, ki so drugačni kot v naravi.”

“Drugo področje, na katerem tudi že delamo, so cepiva: v oglišča kletk vnesemo antigene in kletka deluje podobno kot virus za povečanje imunskega odziva, seveda brez škodljivih posledic, kot jih imajo virusi.”

In to vi počnete?

“Da. Ker proteini lahko naredijo ogromno koristnih stvari: omogočijo dostavo zdravil, prepoznavanje, katalizo ... V naravi so proteini taki kot so, da so omogočili preživetje celicam in so se izbrali med evolucijo. Niso pa nujno idealni za drugačne namene. Morda nas zanimajo za dostavo zdravil, za senzorje in podobno. V tem primeru lahko naredimo drugačne proteine. Toda ker je število kombinacij tako veliko, ne moremo testirati vseh proteinov, lahko pa poskusimo na drugačen način, kot je v naravi. In način, na katerega sem se tega lotil, je modularna sestava: da sestavimo proteine iz modulov - mi temu rečemo proteinski origami -, kjer je en segment komplementaren drugemu, kar pomeni, da se en segment pari z drugim. Tu imam kletke, vsak rob teh kletk je sestavljen iz dveh vzporednih segmentov, vsak segment pomeni eno aminokislinsko zaporedje in se poveže s točno določenim drugim zaporedjem. Če to strukturo odvijem, dobim linearno verigo, če jo spustim, se vsak segment sam od sebe pripne h komplementarnemu in veriga tako sama od sebe oblikuje kletko.”

“Pri preizkusu vpliva naših kletk v organizmu nismo odkrili popolnoma nobenega škodljivega delovanja. Po drugi strani so tudi naravni proteini nano strukture.”

V evropskem raziskovalnem vrhu

Prof. dr. Roman Jerala (1962) je vodja odseka za sintezno biologijo in imunologijo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani. Diplomiral, magistriral in doktoriral je na Fakulteti za naravoslovje in tehnologijo v Ljubljani, podoktorsko izpopolnjevanje pa opravil na univerzi v Virginiji, ZDA.

Na medfakultetnih doktorskih študijih biomedicine in bioznanosti predava predmet izbrana poglavja o proteinih ter biokemijsko informatiko, bil je mentor več študentskih ekip na mednarodnem tekmovanju v sintezni biologiji na Tehnološkem inštitutu Massachusetts v ZDA, ki so v konkurenci ekip najboljših univerz z vsega sveta v letih 2006-2010 osvojile kar tri glavne nagrade in bile daleč najuspešnejše v celotnem tekmovanju.

Za svoje delo je prejel Preglovo nagrado kemijskega inštituta in Zoisovo nagrado za vrhunske znanstvene dosežke. Je tudi član Evropske organizacije za molekularno biologijo EMBO, ki združuje 1700 najboljših znanstvenikov z vsega sveta, ki se ukvarjajo z vedami o življenju, med njimi tudi 85 Nobelovih nagrajencev.

Prejšnji mesec je bilo njegovo odlično znanstveno raziskovalno delo nagrajeno z 2,5 milijona evrov, ki jih je prejel za izvedbo petletnega projekta MaCChines v okviru razpisa Evropskega raziskovalnega sveta za uveljavljene raziskovalce 2017 (ERC Advanced Grant 2017). V kako močni konkurenci je pridobil financiranje, zgovorno pričajo številke: prijavljenih je bilo 2167 projektov izjemnih raziskovalk in raziskovalcev, ERC bo financiral samo 12 odstotkov prijavljenih in samo odstotek jih je iz novih članic EU. Evropska komisija pa je njegov projekt izpostavila kot enega izmed sedmih najbolj zanimivih.

Za intervju smo ga ujeli med številnimi službenimi potmi v tujino: nekaj dni pred pogovorom je pripravljal prijavo za evropski projekt na temo imunoterapije raka v Münchnu, teden pred tem je predaval sodelavcem v Regensburgu, po intervjuju je šel v Anglijo, kjer je bil recenzent centra za sintezno biologijo na univerzi Warwick. A med pogovorom je bil spočit, sproščen in umirjen, izkazujoč veselje do svojega dela in znanosti.

Modularni proteini

Ta kletka je na videz podobna otroški igrači in bolj kot na kemijo spominja na matematiko (z obliko piramide) in umetnost (origami)?

“To je ideja, s katero smo začeli že leta 2009, leta 2013 je sledila prva objava v Nature Chemical Biology. Naravni proteini so zelo optimizirani, v milijardah let je bilo ogromno točkovnih mutacij, da so se optimizirali za določeno funkcijo. Tu pa gre za drugačen princip kot pri naravnih proteinih, zato, da dobimo nove lastnosti. Načrt tega proteinskega origamija, mojega ERC projekta, je, da vnesemo nove lastnosti. Pomembna pa je tudi modularnost - podobno kot je avto sestavljen iz več različnih modulov, imamo tu strukturo, ki se sestavi sama od sebe.”

“So področja, kjer ni pomislekov - ne nazadnje so prav vsa biološka zdravila narejena iz gensko spremenjenih organizmov, pa jih z veseljem uporabljamo in so dokazano koristna.”

V rokah imate dober decimeter velik model, a ponazarja velikosti, ki jih sploh ne vidimo s prostim očesom.

“To so nano strukture, v širino lasu jih spravimo 100.”

Vaša ideja je bila deležna veliko pozornosti in navdušenja v strokovni javnosti. Kaj pa si lahko od projekta obetamo ostali?

“Cilj je, da pogledamo, kako daleč lahko pridemo s to tehnologijo. Največje strukture, ki smo jih doslej naredili, so narejene iz 700 aminokislin, kar je zelo veliko. To je največji dizajniran protein, kar jih je kadar koli kdo sestavil. Želimo vnesti nove lastnosti, med drugim dinamiko: narediti tako strukturo, da se bo odpirala in zapirala po želji. Na primer: da vnesemo v oglišča neke funkcionalne domene, denimo antigene za tvorbo protiteles ali da v kletko zapremo encim, ki se sprosti, ko pride na določeno mesto v telesu. Da naredimo, kot nakazuje že akronim projekta, molekulske stroje oziroma vnesemo dinamiko, da se te molekule lahko preoblikujejo iz ene strukture v drugo. To je že prvi korak k temu, da bi naredili nanometrske stroje.”

Edini na svetu so

Ste edini na svetu, ki se ukvarjate s tem?

“Da. Ni enostavno. Vzeli smo zgled na osnovi nukleinskih kislin, ki na podoben način sestavljajo strukture, a prednost našega pristopa je, da narava z razlogom uporablja proteine, ne pa nukleinske kisline. Druga prednost je v tem, da te proteine lahko pripravljamo v bakterijah: vnesemo genski zapis za kletko v bakterijske celice in te bakterije nam lahko pripravljajo grame, kilograme, celo tone tega materiala. To je zrela tehnologija in z njo lahko naredimo kompleksne nanostrukture na zelo enostaven način. Če jo primerjamo z drugimi nano strukturami, ki jih vedno bolj uporabljamo, je to eden najbolj trajnostnih načinov proizvodnje, saj potrebujemo samo hrano za bakterije (na primer sladkorje in soli) in dobimo high tech produkte. Ki bodo, v to sem prepričan, uporabni za marsikaj.”

Na katerih področjih?

“Prvo je medicina - tudi zato, ker se naš laboratorij ukvarja z imunologijo in radi povezujemo ti področji. Prvi cilj so kletke za enkapsulacijo - da vanje vnesemo učinkovino, denimo encim, ki je lahko toksičen, a zaprt v kletki ne naredi nič hudega. Če ga pa dostavimo v celico, ki jo želimo uničiti - denimo rakasto ali kužno celico -, se ta kletka odpre in sprosti tisto toksično učinkovino, ki uniči točno tisto celico. Na te kletke lahko dodamo kar koli. Denimo protitelo ali protein, ki je neke vrste poštni naslov, ki pripelje kletko točno do tiste celice, ki jo želimo uničiti. Drugo področje, na katerem tudi že delamo, so cepiva: v oglišča kletk vnesemo antigene in kletka deluje podobno kot virus za povečanje imunskega odziva, seveda brez škodljivih posledic, kot jih imajo virusi. Opravili smo testiranja na miših, kjer se je izkazalo, da ni težav, da kletke s proteinskega origamija telo sprejema enako kot svoje lastne proteine. Zdaj testiramo, koliko časa ostanejo proteini v telesu, ker ni dobro, da se prehitro razgradijo, po drugi strani pa ni koristno, da se nalagajo v telesu, kot na primer polietilenglikol.”

Umetno izdelani naravni materiali

Kaj pa na drugih področjih?

“Vnesemo lahko domene, s katerimi dodamo denimo fizikalne, optične lastnosti, segmente, ki vnesejo fluorescenco, ki pretvorijo svetlobo in kemijsko energijo in z njimi bomo morda lahko naredili senzorje ali biološke laserje. Lahko pripravimo materiale z novimi lastnostmi. Ne nazadnje precej materialov, ki jih danes uporabljamo, - volna in svila - sestavljajo proteini. In če lahko nadzorujemo, kako se posamezni segmenti povezujejo med sabo, lahko naredimo material z zanimivimi lastnostmi.”

Material, ki bi imel lastnosti kot naravni, a umetno izdelan?

“Da, kot bi ga lahko naredila narava, a ga ni, ker ni imela potrebe. Mi lahko naredimo tak material relativno poceni.”

Bi s tem lahko zmanjšali proizvodnjo in porabo plastike, ki povzroča v okolju ogromno škode?

“Seveda. Tak material je lahko popolnoma biorazgradljiv. Lahko bi naredili tudi filtre za filtriranje mnogih raztopin, ne samo vode. V roku petih let se bodo zagotovo pojavile kakšne uporabe, na katere zdaj niti še ne pomislimo. Morda v smeri biomineralizacije, procesa, kot poteka pri školjkah. Morda bomo do tega prišli mi, morda kdo drug.”

Je za takšne preboje v znanosti ključna kombinacija osredotočenja na ozko področje in vključitev drugih področij z drugačnim načinom razmišljanja?

“To je zelo pomembno. Mi vključujemo res zelo širok nabor znanj. Izkoriščamo prednosti našega laboratorija, kjer pokrivamo molekulsko modeliranje, biofizikalne raziskave, celično biologijo, imunologijo, po drugi strani pa si pomagamo z matematiko, ki ima to lepo lastnost, da nekaj dokončno dokaže. V zadnjem času odlično sodelujemo s prof. Pisanskim in prof. Brodnikom z Univerze na Primorskem ter s prof. Klavžarjem. Mislim, da tudi oni uživajo, ko vidijo, da je matematika uporabna na realnih problemih. Manjka pa nam možnost podrobne določitve tridimenzionalne strukture kletk. Zaenkrat smo uporabili metode sipanja rentgenske svetlobe. Podrobno strukturo pa moramo določiti s kristalografijo ali s krioelektronsko mikroskopijo, za kar potrebujemo sodelovanje kolegov v tujini in instrumentov, za uporabo katerih je vrsta.”

Nano ni nujno negativno

Glede nanotehnologije je kar nekaj pomislekov, da je premalo nadzorovana in zato nevarna.

“Kar se tiče naših struktur, lahko te pomisleke zagotovo zavrnem. Pri preizkusu vpliva naših kletk v organizmu nismo odkrili popolnoma nobenega škodljivega delovanja. Po drugi strani so tudi naravni proteini nano strukture. Izraz nano strukture običajno uporabljamo, če gre za umetno ustvarjene strukture, v glavnem anorganske in organske molekule, ne pa za biološke polimere. Drew Endy, kolega sintezni biolog iz Stanforda, je dejal: biologija je nano tehnologija, ki dejansko deluje. Naše celice so stroji, sestavljeni iz nano struktur, ki so bistveno bolj kompleksne od nano struktur, ki jih znamo narediti umetno. Določeni proteini so lahko tudi škodljivi, če tvorijo amiloidne agregate, kot denimo pri Alzheimerjevi bolezni; če gre za monomerne proteine, pa ni tovrstnih stranskih učinkov. Pri škodljivih učinkih nanotehnologije gre pogosto predvsem za nanodelce srebra in podobno, kjer je predvsem tvorba kisikovih radikalov odgovorna za toksične posledice.”

Torej ni problem velikost sama po sebi, temveč iz česa je sestavljeno?

“Tako je. Proteini so razgradljivi in - vsaj do zdaj - nismo opazili nobenega škodljivega učinka. Imajo pa veliko pozitivnih lastnosti. Taki materiali in načini proizvodnje so tehnologije prihodnosti. Omogočili bi lahko tudi delno zamenjavo uporabe fosilnih goriv, iz katerih je danes ceneje proizvajati mnoge izdelke. Zato bi lahko imeli pomembno vlogo tudi v krožnem gospodarstvu.”

Kaj pa v prehrani?

“Tudi. Ne nazadnje so kolegi na Kemijskem inštitutu razvili vodotopni Q10, ki ga dodajajo mleku. S takimi proteini bi lahko izboljšali vodotopnost tudi drugih učinkovin. A to je že na meji med prehrano in zdravili in ta trenutek ne vidim nobene potrebe, da bi kaj dodajali v hrano. Hrana je dovolj bogata, zato ni potrebno , da bi ji še kaj dodajali.”

So pomisleki glede nanotehnologije podobni kot glede genske tehnologije?

“Pri obeh je potrebna obravnava od primera do primera. So področja, kjer ni pomislekov - ne nazadnje so prav vsa biološka zdravila narejena iz gensko spremenjenih organizmov, pa jih z veseljem uporabljamo in so dokazano koristna. Na področju medicine je najbrž najmanj odpora, ker so ta zdravila bolj učinkovita, ciljana, žal tudi bistveno dražja od ostalih, ker je njihova proizvodnja zahtevnejša. Žal mi je, da je tak odpor v javnosti na področju rastlin, saj bi lahko imeli rastline, bolj odporne proti suši, stresu, soli ... Je pa seveda vsako potrebno pazljivo preučiti glede možnih škodljivih učinkov. Zagotovo pa bomo šli korak za korakom v smer posnemanja bioloških procesov v tehnologiji.”

Verjetno bo največ dilem glede človeka, kjer imamo tako koristno in sprejemljivo pomoč pri odpravljanju dednih bolezni, a tudi nevarno skrajnost, kot je dizajniranje otroka po lastnih željah.

“To je res, a moramo se zavedati napredka tehnologije. Če obstaja tehnologija, ki lahko odpravi trpljenje in bolezni, se ji težko odrečemo. Med najglasnejšimi zagovorniki take tehnologije so, razumljivo, starši otrok, ki imajo določene gensko pogojene bolezni. Seveda moramo upoštevati vse varnostne pogoje in zagotoviti, da ne bo prišlo do zlorab. V ta namen obstajajo mednarodne konvencije, tudi Slovenija je njihova podpisnica, a večinoma so stare 20 let in ker se je tehnologija v tem času zelo razvila, jih bo treba kar temeljito posodobiti. O tem v razvitih državah potekajo zelo intenzivne razprave, v glavnem v smeri, da je treba naprej s previdnimi koraki, ne gre pa kar zavračati te tehnologije.”

Sodelavci morajo biti motivirani

Če se vrneva k vašemu projektu: zanj ste prejeli 2,5 milijona evrov. Kaj boste lahko z njimi naredili?

“S tem si bom lahko privoščil, da se bom manj ukvarjal s pisanjem projektov in več z raziskovanjem. Predvsem pa bom lahko okrepil ekipo. Za obstoječe sodelavce bo tu več možnosti, lahko bom angažiral tudi več novih sodelavcev. Zato bo prihodnje leto moja glavna skrb, ali bom lahko dobil dovolj odličnih kadrov.”

S katerih področij?

“Ved o življenju. Smo precej interdisciplinarni, od biotehnologov, mikrobiologov, biokemikov, tudi medicincev, pa do matematikov, modelarjev, strukturnih biologov, … Predvsem želim, da so to motivirani ljudje, ki jih to delo navduši. Možnosti za to so, smo v špici na tem področju in bo kar nekaj možnosti za znanstvene preboje. Dobro je, da dobimo kadre, ki že imajo nekaj osnov na tem področju, da lahko takoj začnemo delati.”

Je slovenski kadrovski bazen dovolj velik?

“Ne vem, od kolegov s fakultete slišim, da najboljših šest študentov iz generacije odhaja po prvi bolonjski stopnji v tujino. Upam, da ne zato, ker mislijo, da se v Sloveniji ne da delati odlične znanosti. Skoraj zagotovo bom angažiral nekaj kadrov iz tujine, saj je to dobro, ker pogledajo na problem z druge perspektive, nam pokažejo, kaj je pri nas dobrega in kaj bi lahko izboljšali, pa tudi mi morda zaradi takega pogleda nekoliko manj tarnamo. Trenutno imamo dva tuja sodelavca. Rad pa bi jih selekcioniral predvsem glede na to, da jih to delo pritegne. Znanost ni osemurna služba, katere namen je plača za plačilo položnic. Seveda jih je potrebno plačati, a ne sme biti samo to. Nobelova nagrajenka Nusslein Volhardova je ustanovila sklad, iz katerega financira mladim raziskovalkam hišno pomoč, da se same lahko bolj neobremenjeno posvetijo znanstvenemu delu. Znanost mora biti poklic, ki ga delaš z veseljem, raziskovalca mora voditi strast do raziskav.”

V zadnjih letih opozarjate na slabo financiranje znanosti. Država pomaga podjetjem, ki zaposlujejo nizko kvalificirane delavce z majhno dodano vrednostjo (ki jih niti nimamo dovolj), slabo pa znanost in delovna mesta z visoko dodano vrednostjo.

“No, ne bi bil zgolj kritičen. Ne nazadnje imamo Lek, ki zaposluje tudi visoko kvalificirane kadre, med katerimi je tudi veliko mojih nekdanjih sodelavcev … Tisto, kar manjka v financiranju znanosti, je jasna podpora odličnosti namesto uravnilovke.”

Toda Lek je samostojno podjetje, ki ni dobilo spodbude države, kaj šele poseben zakon, kot Magna.

“To je res. Žal je glavna prednost za investicije v Slovenijo ta, da so plače za solidno izobraženo delovno silo pri nas nižje kot v zahodni Evropi. Kar seveda ni dobro za prihodnost. Jaz kot raziskovalec ne želim biti samo podizvajalec, ampak tisti, ki vodim raziskavo. Podobno bi moralo biti pri podjetjih. Če si tisti, ki razvijaš tehnologijo, ti ostane bistveno več, kot če si podizvajalec. Tu se investicije v znanost lahko zelo dobro povrnejo. Seveda morajo biti smiselne. Poglavitno je, da dodatno spodbujamo tiste, ki so res v špici, ki bodo poskrbeli za odlično usposabljanje sodelavcev. Treba je sicer vzdrževati vse smeri znanosti, a za to je univerza, dodatne investicije pa morajo biti ciljane v odličnost. A uradnike in pogosto tudi politike večinoma zanima le, da je zadoščeno formalnostim in da se ohranja status quo, zato marsikdaj sploh nimamo svoje politike, ampak le prepisujemo evropsko. Morali bi se odločiti, kaj podpirati. Žal nas tudi marsikatere vzhodnoevropske države prehitevajo. Recimo Poljska. Pa Češka, ki ima v Brnu center, v katerega so vložili 200 milijonov evrov iz strukturnih sredstev in ima vrhunske znanstvenike in opremo, o kateri pri nas le sanjamo. Pri nas so bili pred leti centri odličnosti, ki so preskrbeli za vsaj nekaj malega posodobitve opreme, vendar so se že pred več leti nehali financirati. Zdaj gredo državne podpore za pametno specializacijo večinoma v subvencije za gospodarstvo. Tudi Nemčija, ki je močno razvita, ima program elitnih univerz, da podpira raziskave, s katerimi je v svetovni špici. V Franciji ima predsednik sam sklad, s katerim podpira odlične raziskave, ki so v svetovnem vrhu. Slovenija bi morala tu narediti mnogo več, če ne želimo capljati za ostalimi.”

Delo, ki je hkrati hobi

Predavate tudi študentom. Kakšni dijaki prihajajo na fakulteto? So danes drugačni kot tisti pred desetimi ali 20 leti? So med njimi razlike glede na spodbude na srednjih šolah?

“Smo kar zadovoljni, zelo veliko je takih dijakov in študentov, ki so res motivirani. So pa precejšnje razlike med šolami, kjer je zelo veliko odvisno od entuziazma posameznih učiteljev, ki med dijaki spodbujajo veselje do znanosti in raziskav. V zadnjem času je precej več študentov, ki želijo iti v tujino. Kar je v redu, a po mojem mnenju je bolje, da gredo v tujino šele po doktoratu. Kdor gre prej, se le redko vrne nazaj. Je toliko let v tujini, v drugih pogojih, se naveže na delo, okolje, tudi zasebno … Za tistega, ki pri nas konča doktorat, pa je zelo koristno, da gre - morda za dve leti - na podoktorski študij v tujino. Ne nazadnje študentje, ki so doktorirali pri nas, lahko dobijo podoktorska mesta na MIT, na Harvardu in drugih najboljših univerzah na svetu z referencami našega laboratorija. Dobro je, da pokažemo, da se da tudi v Sloveniji narediti dobre stvari in da nas ni treba biti nič sram. Vsaj na področju, ki ga poznam, je študij pri nas zelo kakovosten. Res pa smo zaspali na drugi bolonjski stopnji, kjer je pri nas še vedno poudarek na predavanjih, da so predavatelji finančno pokriti. Moji študenti, ki so v Nemčiji, na Švedskem in drugod, pa mi povejo, kako je tam na drugi bolonjski stopnji poudarek na projektih, rotacijah in izkušnjah v več laboratorijih. V tem času preizkusijo naše študente in seveda obdržijo najboljše.”

Rekli ste, da je znanost poseben poklic, ki terja od raziskovalca strast in čas. Koliko časa porabite za delo in koliko vam ga sploh še ostane?

“Nekoliko se da čas tudi raztegniti (tudi nekoliko manj spim). Vzamem si čas za vrt in za družino, pa tudi za tek in hribe. Veliko je potovanj, pogosto kar preveč. Sicer pa je znanost kar poln angažma. Lahko bi rekel, da trenutno delam več, kot sem kadar koli v življenju, vključno s podoktorskim usposabljanjem v ZDA, čeprav je bil tisti čas zelo intenziven in kakovosten. A če želiš biti konkurenčen, moraš vložiti veliko dela, kjerkoli na svetu. Na srečo je to delo, ki me zelo veseli, ki me kar samo potegne. Iz laboratorija grem med zadnjimi, ko pridem domov, do desetih zvečer in čez berem in pišem članke. Vsake toliko časa, moram priznati, pogrešam čas za branje leposlovja in traja predolgo, včasih kar do počitnic, ko preberem kakšno knjigo, ker me tako zasvojijo znanstvene zadeve.”

---