Kromě eukaryot existují další dvě domény života, bakterie a archea, souhrnně označované jako prokaryota.

Jak vznikly buňky, ze kterých se skládá veškerý složitější život na Zemi? Právě na tuto otázku se snaží odpovědět současný výzkum v oblasti evoluční biologie a molekulární genetiky. Jedna z vědkyň OU přitom uspěla nejen s publikací v prestižním časopise, ale také se ziskem návratového grantu GAČR.

V rozhovoru vysvětluje, co přesně zkoumá a proč je to důležité.

Váš výzkum se zabývá GTPázami z Ras nadrodiny – tak pojďme na to – co to jednoduše znamená?

Představte si buňku tak, jak jsme se o ní všichni učili ve škole – nebo ještě víc popularizačně – jako rušné město. Uvnitř buňky je mnoho útvarů – organel. Jistě si vzpomenete například na jádro, mitochondrie či endoplazmatické retikulum, a tím by výčet zdaleka nemusel končit. Uvnitř buňky je živo, stále se tam něco syntetizuje, něco se někam přepravuje, něco jiného se rozkládá.

Dějů uvnitř buňky je nepřeberné množství a účastní se jich velké množství různých molekul, včetně proteinů. To, jakými proteiny buňka, potažmo daný organismus, disponuje, můžeme zjistit zkoumáním genomu. V genomu jsou mimo jiné geny kódující proteiny, na základě nichž pak v buňce vznikají proteiny.

A proteiny, kterými se zabývám, GTPázy z Ras nadrodiny, tvoří jednu z mnoha skupin proteinů v buňce. Dělí se do dalších podskupin, například na Rab proteiny, Arf proteiny, Ras proteiny a mnohé jiné. Ve většině organismů jsou desítky těchto GTPáz a fungují jako molekulární spínače regulující různé buněčné děje.

Asi nejznámější je jejich role ve vnitrobuněčném transportu a buněčné signalizaci. Poruchy těchto dějů mohou mít na buňku velmi negativní, až letální dopad. Mutace některých GTPáz Ras nadrodiny u lidí jsou spojovány s rakovinou, ale i jinými onemocněními.

Lze říci, že buňky by bez proteinů z Ras nadrodiny nemohly fungovat, ale toto tvrzení platí pro stovky, či spíše tisíce, jiných proteinů. Ras nadrodina je velmi rozmanitá skupina, a ačkoliv jsou některé podskupiny velmi dobře prozkoumány, značná část diverzity těchto proteinů je prozatím neprozkoumaná a u mnoha z nich ani netušíme jejich funkci.

A to mám nyní na mysli pouze GTPázy Ras nadrodiny u eukaryot, což je skupina zahrnující živočichy, houby, rostliny a mnoho dalších, méně známých linií.

Kromě eukaryot existují další dvě domény života, bakterie a archea, souhrnně označované jako prokaryota. Eukaryotická buňka má prokaryotický původ a vznikla propojením bakteriální a archeální linie. Mnohé podrobnosti této významné evoluční události již známe, ale zdaleka ne všechny. Některé prokaryotické organismy mají GTPázy Ras nadrodiny, ale v mnohem menším počtu a velmi odlišné od těch eukaryotických.

Existuje však jedna výjimka, relativně nedávno objevená skupina Asgardarchaeota (ano, pojmenovaná po Asgardu – věda umí být cool), jejíž mnohé geny, včetně GTPáz nadrodiny Ras, sdílejí společné rysy, které jsme dříve považovali za unikátní pro eukaryota, což byl velmi nečekaný objev, který změnil pohled na vznik a vývoj jak těchto proteinů, tak eukaryotické buňky.

Naše studie nasvědčuje tomu, že první eukaryotická buňka už měla Arf proteiny a že eukaryotické Arf proteiny nejsou inovací vzniklou až u eukaryot, ale mají společný původ s proteiny ze skupiny Asgardarchaeota.

Studie, kterou jste publikovali v Nature Microbiology, zkoumá původ našich buněk. Na co jste přišli? Co díky vašemu výzkumu víme nového o vzniku eukaryotické buňky?

Zmíněná studie vznikla ve spolupráci s kolegy z Francie a Kanady a je syntézou bioinformatických a experimentálních analýz. Zaměřili jsme se hlavně na již zmíněnou skupinu Asgardarchaeota, v současnosti považovanou za nejbližší prokaryotické příbuzné eukaryot. Článek s prvními osekvenovanými zástupci skupiny Asgardarchaeota vyšel v průběhu mého doktorského studia.

Autoři si samozřejmě hned všimli, že tito zástupci mají v genomu obrovské množství genů, o nichž se dříve myslelo, že jsou specifické jen pro eukaryota, včetně mnoha GTPáz Ras nadrodiny. Vyvstaly tak otázky, co tyto proteiny u prokaryot dělají, v čem se liší ty eukaryotické od těch prokaryotických, ale také co mají společného.

Zkoumání těchto proteinů nám může poodhalit tajemství vzniku eukaryotické buňky, protože tyto proteiny se podílejí na procesech, které jsou známy především z eukaryot. Také nás ale zajímají ryze prokaryotické GTPázy Ras nadrodiny, protože takových jsme již objevili celou řadu a jejich diverzita mnohonásobně převyšuje to, co jsme znali z prokaryot před objevením skupiny Asgardarchaeota.

Přítomnost GTPáz Ras nadrodiny v této skupině sice byla popsána již dříve, ale my jsme provedli systematickou, pečlivou studii několika desítek zástupců a objevili novou podskupinu těchto proteinů, kterou jsme nazvali ArfR.

ArfR jsou velmi podobné eukaryotickým Arf proteinům, a dokonce sdílejí některé strukturní vlastnosti a schopnost vázat se na membránu. Naše studie nasvědčuje tomu, že první eukaryotická buňka již měla Arf proteiny a že eukaryotické Arf proteiny nejsou inovací vzniklou až u eukaryot, ale mají společný původ s proteiny ze skupiny Asgardarchaeota. Ještě ale nemáme jasno v tom, jakou funkci u nich ArfR proteiny zastávají.

Zmínila jste skupinu Asgardarchaeota. Proč se tak jmenují? Čím jsou pro nás důležité?

Objevení a pojmenování této skupiny není úplně přímočaré. První sekvence zástupců této skupiny pocházejí ze sedimentů izolovaných v Arktickém oceánu poblíž hydrotermálního průduchu nesoucího jméno Lokiho hrad, pojmenovaného po známém bohovi ze severské mytologie.

Jejich genomy byly osekvenovány přímo ze vzorků sedimentu, aniž by tyto organismy byly spatřeny nebo dokonce pěstovány v laboratoři. Takto získané genetické informaci se pak říká metagenom.

Vědci ze švédské univerzity v Uppsale, v jejichž čele stál Thijs Ettema, vzorky z Lokiho hradu osekvenovali a pro nově objevenou linii archeí začali používat jméno Lokiarchaeota právě podle místa odebrání vzorků. K jejich překvapení v metagenomech detekovali velké množství genů, u nichž se předpokládalo, že jde o proteiny specifické pouze pro skupinu Eukaryota. Postupem času byly sekvenovány metagenomy dalších zástupců a většinou jim byla dávána jména dalších postav ze severské mytologie, např. Thorarchaeota, Heimdallarchaeota či Odinarchaeota.

Ne všichni tento příklad následovali, takže existuje mimo jiné také skupina Wukongarchaeota pojmenovaná podle postavy z čínské mytologie. Všichni zástupci se začali sdružovat pod označením Asgard či Asgardarchaeota, podle sídla severských bohů Asgardu, v němž se mimo jiné nachází také známá Valhalla.

Ale aby to nebylo jednoduché, nedávno vyšla studie, podle které by se celá říše měla jmenovat Promethearchaeati (a kmen Promethearchaeota). Podle tradičních taxonomických pravidel se skupina organismů jmenuje dle prvního popsaného zástupce, od něhož je k dispozici kultura, tedy žijící zástupce fyzicky přítomný v nějaké laboratoři.

Pro ty, od nichž máme sekvenční data například právě z izolovaných sedimentů, ale samotný organismus nemáme k dispozici, se používá před jménem slovíčko „Candidatus“, což je případ většiny známých zástupců skupiny Asgardarchaeota.

Relativně nedávno se japonským vědcům podařilo kultivovat prvního zástupce této skupiny. Pojmenovali ho Promethearchaeum syntrophicum a ve svém článku navrhují změnu zažitých názvů této skupiny.

Bylo to pro mě mírné zklamání, tato skupina mě zaujala ještě během mého doktorského studia a asi se nikdy nezbavím zvyku nazývat je souhrnně Asgardy. Ale možná ani nebudu muset. Stále vycházejí články používající jméno „Asgardarchaeota“, protože toto označení je za těch více než deset let mezi vědci natolik zažité, že přejmenování přináší mnoho problémů a zbytečných komplikací.

Kromě tradičního pohledu na taxonomii mnoho vědců volá po možnosti plnohodnotně pojmenovávat i ty organismy, od nichž je k dispozici sekvence genomu, nehledě na to, zda je organismus někde v kultuře. Nicméně ať už se tato skupina bude formálně jmenovat jakkoliv, na jejich důležitosti to nic nemění a o původu eukaryot a mnohých eukaryotických proteinech nám jistě ještě mnohé prozradí.

O důležitosti Arf proteinů svědčí například fakt, že pokud kvasinka přijde o dva ze svých tří Arf genů, což se jí může přihodit, pokud má tu smůlu, že se nachází ve stejné laboratoři jako vědec zkoumající funkci Arf genů, prostě umře.

Zaměřili jste se na rodinu proteinů Arf. Co tyto proteiny v našich buňkách dělají? Proč je pro nás důležité znát jejich funkci?

Důkladná odpověď na tuto otázku by byla mnohem delší, než má předchozí odpověď, takže se pokusím být stručná a nezacházet do detailů. Jak jsem již naznačila, Arf rodina je podskupina Ras nadrodiny. Spadá sem velké množství proteinů, namátkou třeba Arf1, Arl8 nebo Sar1.

Organismy mívají často i desítky různých Arf proteinů a jejich funkce bývá různorodá, u některých dokonce stále neznámá. Některé Arfy byly přítomné již u předka eukaryot, některé vznikly až později v evoluci. Ale ať zmíním také něco konkrétního, tak jednou z dobře prozkoumaných rolí mnoha Arf proteinů je jejich funkce ve vnitrobuněčném transportu, který je pro buňky naprosto nezbytný, a Arfy spolu s jinými proteiny zajišťují, aby se transportovaly ty správné molekuly a navíc ještě správným směrem.

O důležitosti Arf proteinů svědčí například fakt, že pokud kvasinka přijde o dva ze svých tří Arf genů, což se jí může přihodit, pokud má tu smůlu, že se nachází ve stejné laboratoři jako vědec zkoumající funkci Arf genů, prostě umře. Výzkumem Arf proteinů prohlubujeme naše znalosti o buňce jako takové a o dějích, které v ní probíhají.

Jaké jsou největší vize vašeho výzkumu?

Můj projekt si klade za cíl osvětlit hluboké evoluční kořeny GTPáz Ras nadrodiny a doufám, že přesně to se nám povede. Přestože určité aspekty těchto proteinů jsou intenzivně zkoumány, stále zůstává mnoho neznámých. V dnešní době je k dispozici nepřeberné množství genomových a transkriptomových dat z organismů, které ještě před několika lety nebo desetiletími ani nebyly popsané, ale které jsou velmi důležité z hlediska evoluce eukaryot. Doufám, že díky tomuto projektu zase o trošku posuneme naše poznání a porozumění evoluci.

Článek v Nature Microbiology doplnil během zimy i návratový grant GAČR. Co pro vás znamená být mezi podpořenými řešiteli?

Znamená to pro mě velkou zodpovědnost. Dosud jsem nebyla řešitelkou žádného grantu a účastnila jsem se jich pouze jako členka týmu. Břemeno splnit vytyčené cíle a psát závěrečné zprávy tak spočívalo vždy na někom jiném. Teď je ta zodpovědnost poprvé plně na mně.

Jak náročné je tento grant napsat, aby byl úspěšný?

Psaní návrhu grantu bylo opravdu náročné. Když nepočítám SGS (studentskou grantovou soutěž), byl to pro mě první grant, který jsem psala. Ve vědecké části je třeba naplánovat si práci na několik let dopředu a je důležité, aby cíle byly realistické, ale také zajímavé a ideálně trochu ambiciózní.

Samozřejmě není možné jen polemizovat, je třeba již mít nějaké předběžné výsledky. Kromě samotné vědecké části je třeba také vymyslet rozpočet, což pro mě také byla nová zkušenost. Při psaní mi velmi pomáhal šéf naší skupiny, profesor Marek Eliáš, který má s psaním grantů bohaté zkušenosti a naštěstí byl ochoten se o ně podělit.

Skloubit péči o děti s prací bylo velmi náročné, ale pozitiva dle mě převažují.

Váš grant je tzv. návratový – co to znamená?

Návratové granty jsou u GAČR novinka. Mají za cíl podpořit vědeckou kariéru těch, kteří měli v nedávné době kariérní přestávku, kvůli které se nemohli věnovat výzkumu naplno. Asi nejčastější důvod bývá mateřská nebo rodičovská dovolená, tak jako v mém případě. Návratový grant ale pomáhá také lidem, kteří měli kariérní přestávku kvůli péči o dlouhodobě nemocného člena rodiny.

Lidé po kariérní přestávce často nemají šanci uspět ve standardních GAČR projektech třeba už jen proto, že za posledních několik let nemají mnoho publikací. Já jsem měla výhodu v tom, že jsem po většinu doby své kariérní přestávky pracovala na částečný, i když malý, úvazek.

Šéf naší skupiny, profesor Eliáš, vždy vychází vstříc zaměstnankyním, které odcházejí na mateřskou dovolenou. Bez problémů jsme se domluvili na brzkém návratu a na takové výši úvazku, která mi vyhovovala. K práci mi stačí počítač, takže jsem mohla pracovat z domova a s kolegy se setkávat online.

Skloubit péči o děti s prací bylo velmi náročné, ale pozitiva dle mě převažují. Měla jsem možnost pracovat na nedokončených projektech a několik jsme jich dotáhli do zdárného konce. Možná i to přispělo k získání návratového grantu.

Návratový grant je navíc oproti standardním GAČR grantům odlišný také v tom, že je projektem jednoho řešitele a je dovoleno zahrnout do něj kromě řešitele pouze studenty či techniky. Já jsem do projektu zahrnula studenta doktorského studia, Filipa Šlapala, který má bohaté zkušenosti v práci v laboratoři a jeho experimenty mají potenciál krásně doplnit naše bioinformatické analýzy.

Jak podpora GAČR ovlivní váš výzkum v následujících letech?

Zisk tohoto grantu podpoří můj výzkum ve všech směrech pozitivně. Na několik příštích let mám zaručené stabilní financování a tento aspekt vědecké práce mě tedy nemusí nikterak stresovat. Při psaní návrhu grantu jsem získala určité dovednosti, které bych mohla později zúročit při podávání případných dalších grantů.

Jak může projekt ovlivnit i výzkum na fakultě či univerzitě?

Návratové granty jsou koncipovány jako malé granty oproti těm standardním, kde může být v řešitelském týmu mnoho osob. V mém projektu jsme pouze dva, ale i v tomto malém složení nám stabilní financování umožní věnovat se věcem, které má náš tým již delší dobu nakousnuté, ale které třeba nikdy tématicky přesně nespadaly pod běžící projekty na katedře, takže se jejich realizace často odsouvala na neurčito nebo se na nich pracovalo jen přerušovaně. Což s sebou vždy přináší riziko, že někdo jiný danou věc publikuje dříve nebo že data přestanou být aktuální.