Szanowni Państwo,
Inaugurujemy serię wykładów w Szkole Nauk Ścisłych UAM, na które będziemy zapraszać wybitnych naukowców z kraju i zagranicy, prowadzących badania o najwyższej randze.
Pierwszy wykład z tej serii zatytułowany Biologia strukturalna wczoraj, dziś, jutro? wygłosi znakomity uczony prof. dr hab. Mariusz Jaskólski,
w piątek, 12 maja br. o godz. 16:00 w Auli Collegium Chemicum (s. 2.64).
Biologia strukturalna wczoraj, dziś, jutro?
Mariusz Jaskólski
Biologia strukturalna bada strukturę przestrzenną makromolekuł biologicznych, białek i kwasów nukleinowych, chcąc zrozumieć (a być może i regulować) funkcjonowania tych molekuł życia. Ze względu na ogromne rozmiary i giętkość takich molekuł-olbrzymów, ich struktury, a tym bardziej „ścieżki zwijania”, nie da się w zasadzie przewidzieć ab initio. Swoje początki w połowie XX w. wiąże biologia strukturalna z krystalografią rentgenowską, z którą przez wiele dekad była utożsamiana. W latach 1980. pewne wsparcie przyszło ze strony jądrowego rezonansu paramagnetycznego (NMR), umożliwiającego badania w roztworze, ale prawdziwy przełom nastąpił w ostatniej dekadzie wraz z rozwojem wysokorozdzielczej kriomikroskopii elektronowej (cryo-EM), pozwalającej na bezpośrednią wizualizację pojedynczych obiektów makromolekularnych z rozdzielczością niemal atomową. Protein Data Bank (PDB), który od 1971 r. gromadzi wyznaczone doświadczalnie struktury makromolekuł, początkowo odnotowywał kilka-kilkadziesiąt nowych struktur rocznie. W połowie lat 1990. nastąpiła „eksplozja” PDB, związana z rozwojem biotechnologii, technologii komputerowej oraz, przede wszystkim, z powszechnym zastosowaniem potężnych synchrotronowych źródeł promieniowania X. Postęp techniczny poszedł jednak dalej i dziś dysponujemy również laserami rentgenowskimi na swobodnych elektronach (XFEL) o niewyobrażalnej jasności. Umożliwia to skrócenie czasu naświetlania do kilkunastu femtosekund oraz badanie kryształów o wymiarach nanometrów, a nawet pojedynczych molekuł. Wszystko to sprawia, że w PDB jest obecnie zdeponowanych ponad 200 tys. wyznaczonych doświadczalnie struktur makromolekuł, a roczny przyrost osiąga 15 tys. Wiele z tych struktur, jak np. białka wirusa HIV czy SARS-CoV-2, ma ogromne znacznie medyczne, gdyż na ich podstawie skutecznie projektuje się leki nowej generacji. Obok prawdziwej rewolucji na polu doświadczalnym, w ostatnim czasie nastąpił też przełom w metodach przewidywania struktury trójwymiarowej białek na podstawie ich sekwencji, tj. informacji jednowymiarowej. Stało się to możliwe dzięki algorytmom głębokiego uczenia maszynowego, które wytrenowano pod kątem rozpoznawania w sekwencjach białek wzorców strukturalnych. Nie jest to jeszcze rozwiązanie problemu ścieżki zwijania, a dla zupełnie nowych sekwencji wynik nie jest w pełni wiarygodny; niemniej dla „łatwiejszych” problemów sztuczna inteligencja (AI) potrafi znaleźć poprawne rozwiązanie błyskawicznie. Dostępny powszechnie serwer AlphaFold zaproponował już strukturę dla ponad miliona białek. Inny serwer obiecuje niebawem miliard struktur, choć wydaje się, że taka numerologiczna sztuka dla sztuki traci już sens.
Biolog strukturalny jest dziś w zupełnie innym świecie niż jeszcze 25 lat temu. Ma w ręku narzędzia, takie jak XFEL czy mikroskop cryo-EM, pozwalające badać w bardzo krótkim czasie struktury nawet pojedynczych biomolekuł, a także śledzić ich przemiany w procesach biochemicznych. Na dodatek eksperyment wsparty jest potężnymi narzędziami obliczeniowymi, ze sztuczną inteligencją włącznie. Czy pojawienie się na arenie AI oznacza koniec eksperymentu? Z całą pewnością nie, przynajmniej w możliwej do przewidzenia przyszłości. Nawet jeśli AI łatwo i szybko wygeneruje interesujący nas model, to w przypadku zupełnie nowego obiektu biostrukturalnego trzeba będzie i tak potwierdzić go doświadczalnie. A czy może, jak to już wielokrotnie przepowiadano, umrze krystalografia? Wydaje się, że w możliwej do przewidzenia przyszłości na pewno nie. Choć jest to metoda trudna, gdyż w przeciwieństwie do innych wymaga pokonania problemu krystalizacji, wyniki jakich dostarcza, są nieprześcignione pod względem jakości, rozdzielczości i możliwości weryfikacji w oparciu o bogate dane doświadczalne. Poza tym, innym metodom potrzebne są wiarygodne modele do uczenia maszynowego czy rozpoznawania obrazu. Wydaje się więc, że omówione metody będą współistniały na zasadzie komplementarności.
Biogram
Prof. Mariusz Jaskólski urodził się w 1952 r. w Inowrocławiu. Studiował chemię na Uniwersytecie im. A. Mickiewicza w Poznaniu. Stopień doktora (1979) i habilitację (1985) w dziedzinie chemii uzyskał również na UAM za badania krystalograficzne małocząsteczkowych związków o znaczeniu biologicznym, m.in. nukleozydów, oraz za prace metodyczne w dziedzinie krystalografii. Profesorem został w 1997 r. Prof. Jaskólski pracuje w Zakładzie Krystalografii na Wydziale Chemii UAM. W roku 1988, pracując w Narodowym Instytucie Raka w USA, poszerzył swoje zainteresowania o krystalografię białek. Jest współautorem odkrycia struktury proteazy wirusa HIV, aktywnej formy integrazy retrowirusowej, oraz asparaginazy – ważnego leku przeciwbiałaczkowego.
W 1994 r. założył pierwsze w Polsce laboratorium krystalografii białek, Centrum Badań Biokrystalograficznych w Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu, którym kierował do 2021 r. W latach 1995-2002 realizował prestiżowy grant Howard Hughes Medical Institute (USA); instytucja ta przyznała mu też tytuł International Research Scholar.
W roku 2001 wraz ze współpracownikami odkrył zjawisko wymiany domen strukturalnych w ludzkiej cystatynie C, białku tworzącym agregaty amyloidowe w mózgu. Było to pierwsze doświadczalne powiązanie wymiany domen strukturalnych z agregacją amyloidową, rzucające światło na możliwy mechanizm molekularny również w innych amyloidozach, takich jak choroba Alzheimera, choroba Creutzfeldta-Jakoba, BSE, etc.
Opublikował ponad 400 prac, głównie z chemii strukturalnej oraz biologii strukturalnej, które były cytowane ponad 9500 razy. Są wśród nich prace dotyczące wyznaczania struktury makromolekuł z najwyższą rozdzielczością. Zajmuje się również badaniem nowoodkrytych enzymów hydrolitycznych o potencjalnym zastosowaniu przeciwbiałaczkowym. Nadal interesują go problemy krystalochemii, szczególnie wiązania wodorowe i ich porządkująca rola w agregatach supramolekularnych. W ostatnim czasie zajmuje się aspektami topologicznymi krystalografii.
W 2002 r. został członkiem korespondentem, a w 2016 członkiem rzeczywistym PAN. Jest wybranym członkiem EMBO oraz Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Uppsali. W roku 2002 otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Jest także laureatem Nagrody im. Trzebiatowskiego i Medalu Marchlewskiego PAN, Medalu Zawidzkiego i Medalu Śniadeckiego Polskiego Towarzystwa Chemicznego oraz Nagrody Polskiego Towarzystwa Chemicznego. W roku 2015 wraz z Alexandrem Wlodawerem został laureatem pierwszej edycji Amerykańsko-Polskiej Nagrody Naukowej przyznanej przez FNP i AAAS. W 2022 r. prof. Mariusz Jaskólski otrzymał Nagrodę Prezesa Rady Ministrów za osiągnięcia w zakresie działalności naukowej.
