Věda

Revoluce ve svícení. Svítící enzym „luciferáza“ by mohl nahradit elektrické žárovky

Revoluce ve svícení. Svítící enzym „luciferáza“ by mohl nahradit elektrické žárovky

Žárovka už 140 let usnadňuje každodenní život přeměnou elektrické energie na světlo. Lze ji vůbec nahradit? Ano, lze…

Vědci Martin Marek a Martin Toul z Loschmidtových laboratoří, RECETOX, Přírodovědecké fakulty MUNI popsali inovativní a zároveň udržitelný způsob, jak svítit. Inspirací vědcům jsou organismy žijící na dně moří a oceánů se schopností produkce a emise „studeného“ světla, tzv. bioluminiscence.

O objasnění tohoto procesu se vědci z celého světa pokoušeli poslední čtyři desítky let, ale až brněnští vědci na ukázkovém organismu, jímž byl mořský korál renila fialový (Renilla reniformis), odhalili mechanismus svícení luciferázy, a molekulární podstatu mořského žahavce. Mohl by v budoucnu rozsvítit naše ulice…(?)

Pohled do katalytického centra Renilla luciferázy, kde dochází k vazbě luciferinu a jeho následné oxidaci, doprovázené emisí viditelného světla. Foto: MUNI SCI

Svítící revoluce

„Zdroje naší planety nejsou bezedné. Neustále se používají fosilní paliva, která obnovitelná nejsou, a jejich masivní používání má negativní dopady nejen na globální ekosystém, ale též na lidské zdraví,“ připomíná biolog Martin Marek.

„Luminiscenční enzymy by mohly být používány v našich každodenních životech, a nejen v laboratořích, kde se využívají běžně.“ Při svícení žárovkou se uvolňuje teplo, zatímco luciferázy teplo neuvolňují a dokážou energii velmi efektivně přeměnit na světlo. „Náš objev představuje svítící revoluci.“

Jak „vyladit“ enzym?

Brněnští vědci objasnili chemické kroky, které jsou klíčové v procesu bioluminiscence. Ukázali, kam a jak se v molekule enzymu váže energeticky bohatý substrát, tzv. luciferin.

Pomocí metod strukturní biologie a spektroskopických měření zmapovali enzymatickou oxidaci luciferinu a jeho přeměnu na energeticky bohatý meziprodukt, po jehož rozpadu a dekarboxylaci dochází k emisi viditelného modrého záblesku.

Díky pochopení tohoto procesu nyní vědci umí „ladit“ enzym tak, aby generoval světlo požadované vlnové délky a s cílenou délkou svícení.

Ukázka produkce studeného světla smícháním enzymu luciferázy a luciferinu ve zkumavce v laboratorních podmínkách. Foto: MUNI SCI

Budoucnost svícení

Pomocí metody rentgenové krystalografie se vědcům z Loschmidtových laboratoří podařilo svítící enzym zachytit přímo v akci. Ačkoliv byla struktura samotného enzymu již zmapována dříve, Martin Marek a Martin Toul pomocí metody rentgenové krystalografie dokázali tuto strukturu monitorovat i v okamžiku navázání luciferinu, jehož následnou chemickou přeměnou se generuje světlo.

A právě to jim umožnilo detailně popsat reakci, ke které v enzymu dochází. Při své práci metodami proteinového inženýrství též zrekonstruovali předka dnešního enzymu luciferázy renily fialové, a tak poodhalili tajemství jeho evoluce z původně nesvítících enzymů.

„Byla to hodinářská práce. Vyvinuli jsme z enzymu několik možných předků a následně jsme je porovnávali. Díky tomu jsme přesněji pochopili, jak se vyvíjeli jeden z druhého, a ve kterých aspektech se postupně zdokonalovali až do podoby dnešního enzymu s vysokou intenzitou emise světla,“ upřesnil Martin Toul proces hledání.

Aktuálně však před vědci stojí další výzkumná otázka, a to, jak dlouho dokáže enzym svítit bez přerušení. Doposud v laboratorních podmínkách luciferáza rozsvítila zkumavku na 48 hodin. „Omezením zde zůstává naše neznalost, jakým způsobem živé organismy syntetizují energeticky bohatý luciferin.

Tak, jako jaderný reaktor potřebuje palivo ve formě obohaceného uranu, tak i luciferázy pro svůj provoz potřebují palivo, a tím je právě onen luciferin,“ říká Martin Marek. Výzkumníci si osvojili metody, jak luciferiny syntetizovat chemicky v laboratoři, ale tento proces je pro praktické využití ekonomicky neefektivní.

„Musíme odhalit biosyntetické dráhy vedoucí ke tvorbě luciferinů a jejich recyklace v buňkách, abychom byli schopni sestrojit geneticky kódovaný a energeticky nezávislý zdroj světla,“ nastiňuje Martin Marek budoucí cesty výzkumu a hledání investorů, kteří by vývoj těchto technologií podpořili.

Ve světě se již vědci zabývají tím, jak využít bioluminiscenční organismy ke svícení, a zjištění brněnských vědců ve spolupráci s francouzskými kolegy umožní přenést tuto myšlenku do každodenního života.

Více z Věda

Zvláštní spor vědců a státu o kus lesa. Vyhrálo Biologické centrum

Věda28.3.2023

Nesmrtelné stavby: Tajemství římského betonu odhaleno!

Věda24.3.2023

Mrazivá předpověď: Do roku 2100 zmizí polovina ledovců na Zemi

Věda21.3.2023

Ultimativní Ultrafan

Věda17.3.2023

První jednomotorový vrtulník, který létá na 100 % udržitelné letecké palivo

Věda14.3.2023

Stabilní izotopy pomohly objasnit, jak rostlina obnovuje svou „kůži“

Věda10.3.2023

Věda mýtů zbavená: Zkrotíme kulový blesk?

Věda7.3.2023

Kometa ZTF mezi „nebeskými vozy“

Věda3.3.2023

Déjà vu: Fenomén falešných vzpomínek?

Věda28.2.2023
Věda
Časopis, který by vás mohl zajímat

Nenechte si ujít další zajímavé články

Zjevila se ve Fátimě Panna Marie?
enigmaplus.cz

Zjevila se ve Fátimě Panna...

Přízrak Panny Marie v Portugalsku se v roce 1917...
Gruzínské kuře čakhokhbili
tisicereceptu.cz

Gruzínské kuře čakhokhbili

Rádi zkoušíte zahraniční recepty? Uvařte pro...
Kuchyňské ostrůvky a jejich možnosti
rezidenceonline.cz

Kuchyňské ostrůvky a jejich...

Kuchyňské ostrůvky jsou již běžnou součástí mnoha...
Má Veronika Freimanová strach z další bolestivé nevěry?
nasehvezdy.cz

Má Veronika Freimanová strach z...

VERONIKA FREIMANOVÁ (67) to ...
Kemp Rumcajs: Odpočinek i zábava
epochanacestach.cz

Kemp Rumcajs: Odpočinek i...

Když se řekne Rumcajs,...
Není to ucpané, ale ten zápach…
panidomu.cz

Není to ucpané, ale ten...

Dřez, umyvadlo, odtok vany nebo sprchy: Voda...
Nasadili život při zkoumání zákeřných chorob
21stoleti.cz

Nasadili život při zkoumání...

Nemoci provázely lidský život od nepaměti. V...
Andělé mě odmítli přijmout na onen svět
skutecnepribehy.cz

Andělé mě odmítli přijmout...

Zastavil jsem stopaři. Byl to divný chlapík....
Marta Dancingerová: Dítě, svatba, nebo krutý rozchod?
nasehvezdy.cz

Marta Dancingerová: Dítě,...

Nad vztahem hvězdy...
Podání leklé ruky, zdrobněliny, vyhýbání se pohledem: Můžeme takovým lidem věřit?
epochaplus.cz

Podání leklé ruky, zdrobněliny,...

Podstatnou část lidské komunikace tvoří...
Hublot a Depeche Mode se u příležitosti turné Memento Mori opět spojili
iluxus.cz

Hublot a Depeche Mode se u...

Depeche Mode jsou zpět. Legendární...
Věští zvířata smrt?
epochaplus.cz

Věští zvířata smrt?

Naši předci používali zvířata nejen jako zdroj obživy, ale i jako...