Reklama.
Reklama.
Reklama.
Co mamy wspólnego ze szpinakiem? Dr Szymon Świeżewski – biolog molekularny, „rośliniarz”
Dr Szymon Świeżewski jest „rośliniarzem”, tropi mechanizmy ewolucji badając geny roślin. Początkowo kalafiora, a teraz małego, polnego chwastu. Przyznaje, że przychodzi do pracy z nadzieją, że właśnie tego dnia, uda mu się odkryć choćby niewielką rzecz. Zobaczy coś, czego nikt inny nie widział. Dla takich momentów pracuje.
Reklama.
Dr Szymon Świeżewski (rocznik 1977) pracuje w Instytucie Biochemii i Biofizyki.
Laureat programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, grantu IDEAS PLUS przyznawanego przez Ministerstwo Nauki oraz grantu prestiżowej organizacji European Molecular Biology Organization.
Laureat programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, grantu IDEAS PLUS przyznawanego przez Ministerstwo Nauki oraz grantu prestiżowej organizacji European Molecular Biology Organization.
Ewa Nieckuła: Jak to możliwe, że mam około 70 proc. genów szpinaku, ale w niczym rośliny nie przypominam?
Dr Szymon Świeżewski: Wszystkie organizmy mają wspólne korzenie i stąd często zaskakujące podobieństwa genetyczne. Z szympansem mamy jeszcze więcej wspólnego, bo ponad 99 proc. genów. Mimo to bardzo różnimy się i od szpinaku, i od szympansa. Według jednej z hipotez odpowiada za to niekodujące RNA. Nikt tej hipotezy jeszcze nie udowodnił, jednak kolejne badania coraz bardziej ją uwiarygadniają.
A dlaczego drożdże do pieczenia ciasta, choć nie mają ani kropli krwi, mają geny, które u człowieka biorą udział w tworzeniu naczyń krwionośnych? Drożdżom te geny przydają się, gdy trzeba naprawić ścianę komórkową.
Nie mamy, aż tylu genów, by jeden gen odpowiadał tylko za jedną funkcję. Specjalny, bardzo złożony system decyduje o tym gdzie, kiedy i w jaki sposób dany gen zadziała. W tej przestrzennej i czasowej synchronizacji działania genów bardzo ważną rolę gra RNA.
W podręcznikach do biologii nic o tym nie ma.
Według głównego dogmatu biologii molekularnej, DNA jest nośnikiem informacji, przekazywanym z pokolenia na pokolenie. Na podstawie DNA produkowany jest RNA. RNA przekazuje informacje o tym, jak maja być zbudowane białka. A białka, budują komórkę, tworzą enzymy, czyli tworzą życie. RNA pośredniczy więc między DNA, a białkami. Jednak od pewnego czasu kolejne badania kruszą ten dogmat. Między innymi dowiedziono, że RNA potrafi pełnić funkcje katalityczne i działać jak enzymy. Obecnie mówi się coraz częściej, że tzw. niekodujące RNA ma bardzo ważne funkcje kontrolne w komórce, ponieważ reguluje działanie genów. I ta właśnie rola RNA może tłumaczyć, dlaczego człowiek i jednokomórkowy grzyb, choć mają bardzo podobną liczbę genów, są tak różni.
O roli samego DNA też nie wszystko jeszcze wiadomo?
Nić DNA w ludzkiej komórce ma około 2 m długości, ale zaledwie czterocentymetrowy odcinek tej nici koduje białka, reszta niepotrzebna jest właśnie tą tajemnicą.
Komórka nie tylko musi pomieścić nadmiar „bezużytecznego” DNA, ale jeszcze całą nić DNA zamienia na RNA, czyli płaci podwójnie. Najciekawsze jest jednak to, że w komórkach bakteryjnych jest dokładnie na odwrót. Niekodujące DNA stanowi w bakteriach raptem 2 proc. całej długości DNA.
Komórka nie tylko musi pomieścić nadmiar „bezużytecznego” DNA, ale jeszcze całą nić DNA zamienia na RNA, czyli płaci podwójnie. Najciekawsze jest jednak to, że w komórkach bakteryjnych jest dokładnie na odwrót. Niekodujące DNA stanowi w bakteriach raptem 2 proc. całej długości DNA.
O czym świadczy taka zależność?
Tego nikt nie wie. To jedno z poważniejszych pytań w biologii. Nie wiemy, dlaczego roślina, grzyb, robak, człowiek mają taką samą liczbę genów, a choć geny te niewiele się różnią, to „dyktują” przepis na tak skrajnie różne organizmy. Jedna z hipotez zakłada, że ewolucja nie zmieniała genów, ale głównie sposób w jaki organizm się nimi posługuje, czyli mechanizmy regulacji DNA.
Dlaczego właśnie biologia molekularna?
Biologia molekularna zafascynowała mnie, gdy kończyłem liceum. To była wtedy najdynamiczniej rozwijająca się dziedzina wiedzy. Istniał już dostęp do baz danych i na domowym komputerze, dla zabawy, analizowałem sekwencje genów. A rośliny wybrałem, ponieważ nie płaczą, jak się im obcina nóżki.
Początki pracy naukowej nie były łatwe. Doktorat zupełnie mi nie wychodził
Początki pracy naukowej nie były łatwe. Doktorat zupełnie mi nie wychodził
Co było jego tematem?
Poznawanie układów roślinnych kompleksów które organizują układ DNA w jądrze.
Według klasycznego przepisu: weź 4 kg kalafiora i spróbuj coś z niego otrzymać.
Z jakichś powodów doświadczenia mi nie wychodziły, nie wiadomo dlaczego.
Poprosiłem szefa o szansę na zmianę tematu. Dostałem kilka miesięcy na znalezienie dowodu, że mój nowy pomysł jest dobry. I tym razem wielkiego sukcesu nie było, ale udało mi się przeprowadzić z dobrym skutkiem dość ważne doświadczenie. Z jednym tylko wynikiem pojechałem na zagraniczną konferencję, na której prezentowałem swoją pracę w trakcie sesji posterowej. Zwykle autor badania stoi przy posterze, by wyjaśniać jak prowadził badania. U mnie na wielkiej płachcie widniał jeden malutki wynik, wstydziłem się tam stać. Jednak mój poster został dostrzeżony, gdy wróciłem do Polski czekał na mnie mail od jednego z czołowych biologów molekularnych. Dzięki niemu skończyłem swój doktorat w Wielkiej Brytanii.
Według klasycznego przepisu: weź 4 kg kalafiora i spróbuj coś z niego otrzymać.
Z jakichś powodów doświadczenia mi nie wychodziły, nie wiadomo dlaczego.
Poprosiłem szefa o szansę na zmianę tematu. Dostałem kilka miesięcy na znalezienie dowodu, że mój nowy pomysł jest dobry. I tym razem wielkiego sukcesu nie było, ale udało mi się przeprowadzić z dobrym skutkiem dość ważne doświadczenie. Z jednym tylko wynikiem pojechałem na zagraniczną konferencję, na której prezentowałem swoją pracę w trakcie sesji posterowej. Zwykle autor badania stoi przy posterze, by wyjaśniać jak prowadził badania. U mnie na wielkiej płachcie widniał jeden malutki wynik, wstydziłem się tam stać. Jednak mój poster został dostrzeżony, gdy wróciłem do Polski czekał na mnie mail od jednego z czołowych biologów molekularnych. Dzięki niemu skończyłem swój doktorat w Wielkiej Brytanii.
Czym się Pan teraz zajmuje?
Badam gen, który reguluje czas spoczynkowy nasion. Nasiona nie kiełkują od razu, nawet trafiając na idealne warunki. Pozostają w stanie uśpienia, a jego długość jest narzucana przez organizm rośliny-matki, która im „nastawia budzik”.
Modelowym gatunkiem w moich badaniach jest rzodkiewnik (Arabidopsis sp.). To prawdziwy kosmopolita, można go znaleźć i w północnej Afryce i na południu Szwecji. Zebrano kilka tysięcy odmian Arabidopsis rosnących w naturze. Rzodkiewnik w Szwecji musi przetrwać kilka miesięcy pod śniegiem, a więc jego stan spoczynkowy jest bardzo głęboki, podczas gdy rzodkiewnik w Afryce niemal przez okrągły rok ma wszystko czego mu trzeba do wzrostu, więc może sobie pozwolić na bardzo płytki „sen”. Okazuje się, że stan uśpienia Arabidopsis kontroluje tylko jeden gen. Próbujemy rozszyfrować mechanizm regulacji ekspresji tego genu.
I tym razem się udaje?
Nasze badania pokazały, że niekodujące RNA reguluje gen kluczowy dla długości czasu spoczynku ustanowionego przez matkę. Wydaje się, że jesteśmy na tyle zaawansowani w badaniach, by móc w ciągu najbliższego czasu wyjaśnić mechanizm jego działania. Doszliśmy więc do hipotezy, że to nie gen zmienia się w trakcie ewolucji, ale właśnie niekodujące RNA. To bardzo przyspiesza ewolucję, daje dużą zdolność do adaptacji do zmiennych warunków środowiska. Dowodzimy istnienia mechanizmu, z czego do tej pory nie zdawano sobie sprawy.
Nasiona są ciekawe. Archeolodzy okryli na terenie Masady – twierdzy żydowskiej – pestki daktyli. Przez dwa tysiące lat leżały wśród śmieci, ale udało się wyhodować z nich całkiem żywotne siewki.
To nic niezwykłego, niedawno na Syberii odkryto nasiona, które wykiełkowały po 30 tys. lat tkwienia w wiecznej zmarzlinie. Trzeba im było w tym trochę pomóc, ale już nasiona znajdowane w piramidach egipskich kiełkują zupełnie normalnie. Bez żadnej pomocy. Nasiona zawierają bardzo mało wody, ale są hojnie wyposażone przez matkę w materiały zapasowe. Jednak są w nich miejsca, w których ilość wody wystarcza na bardzo spowolniony metabolizm. Nasiono może, więc trwać w uśpieniu przez wiele lat, zużywając w tym czasie materiały zapasowe.
Nie byłoby łanu czerwonych maków na Monte Cassino, gdyby kilka miesięcy wcześniej wzgórza nie przeorał ostrzał artyleryjski, który wywołał masowe kiełkowanie maków.
Mimo, że roślina-matka nastawia w nasieniu genetyczny budzik i wyznacza, jak długo ma ono czekać w uśpieniu, to czasami działa sygnał znoszący te wytyczne. To bardzo ciekawe, gdyż sygnał nakazujący „ natychmiast masz wykiełkować”, będzie odmienny dla każdego gatunku. Niektóre rośliny wypuszczają kiełki tylko po pożarze, inne po przejściu przez układ pokarmowy zwierzęcia, ponieważ nic z nich nie wyrośnie, jeśli okrywa nasienna nie zostanie nadtrawiona. Ale są i takie, które kiełkują dopiero, gdy dostaną odpowiednią dawkę światła. Tak, jak maki na Monte Cassino.
A dlaczego czasami ziarna zbóż kiełkują jeszcze w kłosie?
Zboża nie są tworem przyrody, ale człowieka. Przez setki i tysiące lat wybierano tylko te osobniki, które produkują bardzo dużo ziaren. Często efektem ubocznym tej cechy była zaburzona długość okresu spoczynkowego. Wystarczy, że jest ciepło i spadnie deszcz a ziarna kiełkują, bo są ku temu sprzyjające warunki. W naturze taka roślina nie przeżyłaby.
Straty w rolnictwie powodowane przez przedwczesne kiełkowanie wynoszą miliardy dolarów rocznie. Gdyby udało się całkowicie zapanować nad tą cechą, można by zminimalizować starty związane z porastaniem a jednocześnie zboże równo kiełkowałoby na polu po wysianiu.
Z kolei do produkcji piwa pożądane są zupełnie inne odmiany. Najlepiej nadaje się do tego pszenica o bardzo krótkim czasie spoczynku nasion. Dzięki temu, że szybko kiełkują i mają duży wigor, fermentacja intensywnie przebiega.
Nie rozumiejąc mechanizmów związanych z regulacją czasu uśpienia, nie potrafimy go przewidywać.
Nie rozumiejąc mechanizmów związanych z regulacją czasu uśpienia, nie potrafimy go przewidywać.
Od trzech lat bada Pan jeden gen. Przez poprzednie pięć zajmował się Pan innym genem, związanym z kwitnieniem. Czy to nie jest nudne?
Nie, bo zdarzają się fascynujące wyniki. „Rośliniarze” badający geny wyprzedzają często inne dziedziny biologii molekularnej o wiele lat. Ten olbrzymi skok wiedzy możliwy jest dzięki dobrze poznanej biologii, ekologii oraz sekwencjonowaniu genomów wielu gatunków roślin.
A do czego wyniki tych badań mogą się przydać?
Celem mojej pracy nie jest przewidywanie, w jakim stopniu i w jakim celu uda się ją wykorzystać. W Anglii, w niektórych instytutach są zatrudnieni ludzie, których jedynym zadaniem jest obmyślanie praktycznych zastosowań czysto teoretycznych badań.
W instytucie, w którym pracowałem, jeden z naukowców odkrył, że pewien wirus infekując rośliny całkowicie przestawia je na produkcję swoich białek. W wyniku takiej infekcji roślina oczywiście umiera, ale zanim do tego dochodzi, białka patogena dominują w jej tkankach. Człowiek od praktycznych zastosowań wpadł na świetny pomysł, by wykorzystać to odkrycie w szybkiej produkcji szczepionek przeciwko grypie. Właśnie wtedy zaczynała się ptasia grypa i trzeba było natychmiast uzyskać olbrzymią liczbę szczepionek. I roślina, i wirus zostały do tego celu wykorzystane. Odkrywca nietypowego zachowania wirusa mógł nawet nie wiedzieć o epidemii grypy.
W instytucie, w którym pracowałem, jeden z naukowców odkrył, że pewien wirus infekując rośliny całkowicie przestawia je na produkcję swoich białek. W wyniku takiej infekcji roślina oczywiście umiera, ale zanim do tego dochodzi, białka patogena dominują w jej tkankach. Człowiek od praktycznych zastosowań wpadł na świetny pomysł, by wykorzystać to odkrycie w szybkiej produkcji szczepionek przeciwko grypie. Właśnie wtedy zaczynała się ptasia grypa i trzeba było natychmiast uzyskać olbrzymią liczbę szczepionek. I roślina, i wirus zostały do tego celu wykorzystane. Odkrywca nietypowego zachowania wirusa mógł nawet nie wiedzieć o epidemii grypy.
Reklama.