fbpx Prof. Jarosław Marszałek – odpowiada na pytania o funkcjonowanie życia | Uniwersytet Gdański - University of Gdańsk

Jesteś tutaj

Prof. Jarosław Marszałek – odpowiada na pytania o funkcjonowanie życia

Prof. Jarosław Marszałek – odpowiada na pytania o funkcjonowanie życia

Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii UG i GUMed
Prof. Jarosław Marszałek

Czy mógłby Pan przybliżyć przedmiot badań prowadzonych przez Pański zespół.

Zajmujemy się poznaniem mechanizmów biochemicznych odpowiedzialnych za syntezę kompleksów złożonych z atomów żelaza i siarki zwanych centrami żelazo-siarkowymi. Są one niezbędne dla funkcji wielu białek każdej żyjącej komórki. Jak wiadomo białka odpowiadają za wszystkie procesy życiowe; powielanie DNA, wzrost i podział komórki, przemiany energetyczne. Jeżeli białka porównamy do maszyn wykonujących określone zadania to centra żelazo-siarkowe możemy porównać do uniwersalnych podzespołów niezbędnych do ich funkcjonowania. Zidentyfikowano ponad 200 różnych białek zawierających badane przez nas centra. Przez długi czas uważano, że centra żelazo-siarkowe powstają spontanicznie. Dopiero pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku odkryto, że ich synteza, podobnie jak inne procesy komórkowe, wymaga udziału wielu wyspecjalizowanych białek.

Wywiad

Posłuchaj wywiadu audio
Przeczytaj cały wywiad
Czy mógłby Pan przybliżyć przedmiot badań prowadzonych przez Pański zespół.
 
Zajmujemy się poznaniem mechanizmów biochemicznych odpowiedzialnych za syntezę kompleksów złożonych z atomów żelaza i siarki zwanych centrami żelazo-siarkowymi. Są one niezbędne dla funkcji wielu białek każdej żyjącej komórki. Jak wiadomo białka odpowiadają za wszystkie procesy życiowe; powielanie DNA, wzrost i podział komórki, przemiany energetyczne. Jeżeli białka porównamy do maszyn wykonujących określone zadania to centra żelazo-siarkowe możemy porównać do uniwersalnych podzespołów niezbędnych do ich funkcjonowania. Zidentyfikowano ponad 200 różnych białek zawierających badane przez nas centra. Przez długi czas uważano, że centra żelazo-siarkowe powstają spontanicznie. Dopiero pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku odkryto, że ich synteza, podobnie jak inne procesy komórkowe, wymaga udziału wielu wyspecjalizowanych białek.
 
Naszym celem jest identyfikacja tych białek, poznanie kodujących je genów oraz opisanie mechanizmu ich działania. To jak analiza elementów składowych i zasad działania skomplikowanej maszyny o której wiemy tylko tyle, że produkuje centra żelazo-siarkowe na użytek białek komórkowych. Nie wiemy z jakich składa się podzespołów, jakie są ich wzajemne powiązań ani jak przebiega proces produkcji.
 
Centra żelazo siarkowe występują we wszystkich komórkach: u bakterii, grzybów, roślin i zwierząt. U człowieka mutacje w genach kodujących białka uczestniczące w procesie ich syntezy wywołują schorzenia uwarunkowane genetycznie. Najczęściej występujące schorzenie to ataksja Friedricha. Znamy zarówno gen jak też mutację powodującą tą chorobę ale nadal nie wiemy jaka jest funkcja kodowanego przezeń białka.
 
W naszej ostatniej publikacji pokazaliśmy w jaki sposób białko odpowiedzialne za ataksję Friedricha, czyli frataksyna, oddziałuje z innymi białkami odpowiedzialnymi za syntezę centrów żelazo siarkowych. To znaczy, że oczyściliśmy badane przez nas białka i w probówce pokazaliśmy, że tworzą kompleks. Następnie stosując metody komputerowe oraz opublikowane struktury tych białek przewidzieliśmy jaka jest architektura tego kompleksu czyli które elementy strukturalne odpowiadają za wzajemne oddziaływania badanych białek. Można to porównać do rozwiązywania trójwymiarowej układanki. Potem zweryfikowaliśmy nasz przewidywania dotyczące biochemicznego mechanizmu tworzenia takiego kompleksu wprowadzając  za pomocą technik inżynierii genetycznej takie zmiany w strukturze białek, które uniemożliwiały ich wzajemne oddziaływania.  W końcu wprowadziliśmy do żyjących komórek geny kodujące zmutowane białka co skutkowało zaburzeniem ich wzajemnych oddziaływań potwierdzając tym samym, że odkryty przez nas mechanizm biochemiczny faktycznie funkcjonuje w komórce drożdży.
 
Dlaczego wybrano drożdże skoro ich komórki są tak odległe ewolucyjnie od komórek ludzkich?
 
To prawda. Ale badania, które opisałem powyżej trudno byłoby prowadzić na ludziach. Na szczęście proces syntezy centrów żelazo-siarkowych jest bardzo konserwatywny i jego przebieg nie zmienił się w procesie ewolucji od bakterii do człowieka. Przykładowo można w komórce drożdży, tych używanych do produkcji chleba i piwa, zastępować gen kodujące białka biorących udział w syntezie centrów żelazo-siarkowych ich ludzkim odpowiednikami a drożdże żyją i mają się dobrze. To bardzo pomaga w badaniach. Drożdże są naszym ulubionym modelem badawczym.
 
Mechanizmy odpowiedzialne za ewolucję białek są w centrum naszych zainteresowań. Przykładowo pokazaliśmy, że chociaż większość białek biorących udział w syntezie centrów żelazo siarkowych zostało odziedziczonych po bakteryjnych przodkach to w przypadku jednego z nich nazwanego Hsp70 historia ewolucyjna jest bardziej skomplikowana. W komórkach zawierających jądro komórkowe czyli takich jak nasze brakuje odpowiednika bakteryjnego genu Hsp70, który specjalizował się w syntezie centrów żelazo-siarkowych.  Jego funkcja została przejęta przez inny gen, który oprócz udziału w syntezie centrów żelazo siarkowych pełni również inne ważne funkcje na przykład w transporcie białek przez błony komórkowe oraz ich ochronie przed czynnikami stresowymi takimi jak wysoka temperatura. To odkrycie pokazało, że w procesie ewolucji jedne białka mogą być zastępowane przez inne a decyduje o tym zarówno dobór naturalny jak też przypadek.
 
Historia Hsp70 nie kończy się tutaj. Najciekawszym odkryciem w mojej dotychczasowej karierze było pokazanie, że na późnym etapie ewolucji drożdży doszło do duplikacji genu kodującego wielofunkcyjne Hsp70 i nowo-powstała kopia w procesie ewolucji uległa specjalizacji i obecnie funkcjonuje wyłącznie w procesie syntezy centrów żelazo-siarkowych. Ewolucja zatoczyła więc koło. Najpierw u bakterii mieliśmy gen Hsp70 wyspecjalizowany w procesie syntezy centrów, potem gdy powstały komórki jądrowe gen ten został utracony a jego rolę przejął inny gen kodujący białko o wielu funkcjach by u przodka drożdży piekarniczych zduplikowana kopia tego nowego genu uległa ponownej specjalizacji.
 
W procesie ewolucji białka pełniące nowe funkcje powstają w wyniku duplikacji istniejących genów. Nasze badania rzuciły więc nowe światło nie tylko na proces syntezy centrów żelazo-siarkowych ale również na mechanizm ewolucji odpowiedzialny za powstawanie nowych  białek. Teraz próbujemy odpowiedzieć na pytanie jakie zamiany w sekwencji i strukturze białka Hsp70 umożliwiły jego ponowną specjalizację oraz jakie są funkcjonalne konsekwencje powstania wyspecjalizowanego białka.
 
Dla wielu osób sprawa genów, białek, ewolucji, to istna czarna magia. Skąd takie zainteresowania?
 
Studiowałem biologię na Uniwersytecie Gdańskim. Wybór studiów nie był trudny. Od kiedy pamiętam fascynowała mnie biologia a jako laureat Olimpiady Biologicznej na studia dostałem się bez egzaminów. W czasie studiów kontynuowałem zainteresowania światem zwierząt i pracę magisterską przygotowałem w Katedrze Ekologii Kręgowców. Ale pod koniec studiów zainteresowałem się biochemią. Zapamiętałem zdanie z wykładu Profesora Karola Taylora ...'biolodzy zadają pytania a biochemicy na nie odpowiadają'. To znaczy, że u podłoża wszystkich procesów życiowych leżą mechanizmy biochemiczne.
 
Doktorat z biochemii przygotowałem w Katedrze Biochemii Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego badając mechanizmy działania enzymów odpowiedzialnych za metabolizm związków azotowych u ssaków i ptaków. Tam opanowałem warsztat biochemiczny ale też zdałem sobie sprawę z tego, że sama biochemia bez genetyki nie potrafi odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące adaptacji i ewolucji.
 
Zaraz po doktoracie wróciłem na macierzystą uczelnię do Katedry Biologii Molekularnej. Miałem zamiar łączyć biochemię z biologią molekularną i genetyką ale nie wiedziałem co chciałbym badać. Miałem szczęście bo Profesor Maciej Żylicz badał nowo-odkryte białka Hsp70. Zaintrygowała mnie ich rola w replikacji DNA i temu się poświęciłem przez kilka następnych lat w czasie stażów naukowych w Uniwersytecie Stanu Michigan u Profesora Jona Kaguni i później w Uniwersytecie Maksymiliana w Monachium u Profesora Waltera Neuperta. Początkowo badałem udział Hsp70 w replikację DNA bakterii i wirusów bakteryjnych a później w replikacji mitochondrialnego DNA drożdży.
 
Replikacja DNA to jeden z najbardziej podstawowych procesów biologicznych.
 
Zgadza się. Wszyscy wiedzą, że replikacja DNA jest bardzo ważna a poznanie jej mechanizmu pozwoli na zrozumienie kluczowych procesów biologicznych oraz przyczyn wielu chorób. Na przykład raka. Przecież komórki rakowe to takie, w których zaburzony jest proces replikacji DNA. Jednak to, że proces replikacji jest tak bardzo ważny czyni z niego trudny przedmiot badań. "Nisko wiszące owoce" już dawno zostały zebrane przez wiele pokoleń badaczy zajmujących się tym problemem. Konkurencja jest ogromna i trzeba być naprawdę bardzo pomysłowym aby móc zaistnieć w tak obleganej dziedzinie badań. Wiem, bo przekonałem się o tym publikując wyniki badań dotyczących replikacji mitochondrialnego DNA. Na szczęście w 1999r kiedy przebywałem na stażu naukowym w Uniwersytecie Stanu Wisconsin w Madison u Prof. Elizabeth Craig okazało, się że badane przez nas nowo odkryty wariant mitochondrialnego białka Hsp70 nie uczestniczy, jak się spodziewaliśmy w replikacji DNA, tylko w nowo-odkrytym procesie syntezy centrów żelazo-siarkowych.
 
Skoro mówimy o młodych badaczach to jaka byłaby pana główna rada dla tych, którzy zaczynają karierę naukową?
 
Przede wszystkim jestem przekonany, że relacja mistrz-uczeń jest podstawą dobrego startu kariery. Stylu uprawiania nauki uczymy się od innych i dobrze gdy ci, od których się uczymy są naprawdę dobrymi naukowcami. Bo nie tylko dowiadujemy się od nich co warto badać ale również dzięki nim poznajemy innych naukowców zajmujących się naszą dziedziną badań. Te związki mogą okazać się kluczem do przyszłych etapów kariery, doktoratu, stażu po doktoracie otwierania własnej grupy badawczej. Co do tematyki badań to jak wspominałem powyżej nie należy poddawać się modzie i podążać za powszechnie znanymi problemami takimi jak  skuteczna terapia przeciwko HIV czy lekarstwo na raka. Nad tymi ważnymi ale oczywistymi problemami pracują już tysiące badaczy i trudno nam będzie z nimi konkurować. Tymczasem biochemiczne i molekularne podstawy procesów życiowych są wspólne dla komórek rakowych i innych typów komórek. Często badania nowo odkrytego procesu metabolicznego lub regulacyjnego mogą rzucić światło na pozornie odległe zagadnienia. Nie jesteśmy tego w stanie przewidzieć ale historia nauki jest pełna takich niespodziewanych zwrotów akcji.
 
Młody naukowiec potrzebuje mistrza, ale potrzebuje też ciekawej i mało zbadanej dziedziny, jak je rozpoznać?
 
Wbrew pozorom produkt pracy naukowca jest dobrze zdefiniowany. To publikacja w czasopiśmie naukowym. A jakość publikacji jest w dużym stopniu mierzalna. Wyznaczają ją liczba cytowań publikacji przez innych naukowców i prestiż czasopisma, w którym praca się ukazała. Szukając mistrza analizujmy publikacje kandydatów. Zważajmy tylko aby były to prace bieżące a nie z odległej przeszłości bo nauka zmienia się bardzo dynamicznie. Sukces naukowy wymaga zaangażowania w pracę i koncentracji przy jednoczesnym zachowaniu szerszej perspektywy. Nie marnujmy nadarzających się okazji. Pozwólmy aby przedmiot naszych badań, na przykład białko które charakteryzujemy, prowadził nas do nowych niepoznanych jeszcze procesów. Nie bójmy się zmiany tematyki badań jeżeli zmiana ta jest logiczną konsekwencją otrzymanych przez nas wyników.   
 
Jak wygląda pana życie poza nauką? Czy ma pan jakieś hobby?
 
Oczywiście. Uważam, że umiejętność odpoczynku po pracy jest równie ważna jak skupienie w czasie pracy. Jestem człowiekiem aktywnym może nawet nadpobudliwym. Więc moje hobby to różne aktywności na świeżym powietrzu: jazda na rowerze- wyścigowym i górskim, kajakarstwo morskie i wrotkarstwo. Ale również spacery w lesie połączone z obserwacją ptaków i zwierząt. W tych aktywnościach towarzyszy mi żona. Mam szczęście bo mamy bardzo podobne zainteresowania. Razem słuchamy muzyki i oglądamy filmy. Razem wyprowadzamy naszego jamnika. Moja żona nie jest naukowcem ale interesuje się nauką i regularnie czyta Świat Nauki. Często dyskutuję z nią najnowsze wyniki i pomysły co pozwala mi zachować świeżość spojrzenia i szerszą perspektywę.     
 
Rozmawiał: Krzysztof Klinkosz
Zdjęcia: Piotr Pędziszewski
Prof. Jarosław MarszałekProf. Jarosław MarszałekProf. Jarosław Marszałek