Nobeli keemiapreemia 2009
2009. aasta Nobeli keemiapreemia pälvisid Rootsi Kuningliku Teaduste Akadeemia otsusel Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz ja Ada Yonath aastakümnete pikkuse töö eest elusorganismides valke sünteesiva organelli ribosoomi molekulaarse struktuuri kindlaks määramisel. Sellel kümnendil on see juba kuues kord, kui Nobeli keemiaauhind saadakse bioloogiaalaste tööde eest.
Friedrich Engels on „Looduse dialektikas" kirjutanud, et elu kujutab endast valkkehade eksisteerimise vormi. Selle väitega saab ainult nõustuda - elu meile tuntud kujul ei oleks valkudeta võimalik.
Valgud - kümnetest ja sadadest aminohapetest koosnevad pikad spagetitaolised molekulid - on sõna otseses mõttes väikesed töökad keemikud meie rakkudes. Nad osalevad nii toitainete lagundamises ja energia tootmises kui närviimpulsi ülekandel ja geneetilise materjali paljundamisel, st kõigis elu avaldustes. Valkude koostisosadeks on aminohapped, mida elusorganismides on 20 tüüpi. Valkude kokkupanemine nendest 20 aminohappest ongi ribosoomi ülesanne. Selle, millises järjekorras üks või teine aminohape valgumolekuli lülitatakse, määrab algselt ära lämmastikaluste järjestus organismi päriliku info kandjas desoksüribonukleiinhappes (DNA). See info esmalt n-ö kirjutatakse ümber (transkribeeritakse) lämmastikaluste järjestuseks DNAst veidi teistsugust sorti nukleiinhappes, milleks on ribonukleiinhape ehk RNA. Protsessi viib läbi RNA polümeraasiks nimetatav valgumolekul, mille struktuuri määramise eest sai 2006. aasta Nobeli keemiapreemia professor Arthur Kornberg. RNA polümeraasi sünteesitud RNA molekul ehk nn informatsiooniline ehk messenger RNA liigub ribosoomi, mis lintmaki kombel RNA nukleotiidide järjestust lugedes aminohappeid kasvavasse valgumolekuli lülitab.
Ribosoom on ribosüüm
Ribosoom on kahest eri suurusega alaühikust koosnev molekulaarne kompleks, mille molekulmass on võrdne 2,6 miljoni vesinikuaatomi massiga. Ribosoom koosneb 3 ribonukleiinhappe ja enam kui 50 valgumolekulist, kusjuures ribosoomi ülesehitus on üsna ühesugune väga erinevates organismides alates kuumaveeallikates elavatest bakteritest ja lõpetades inimesega.
Aminohapete lülitamine valgumolekuli toimub ribosoomi suure alaüksuse kindlas piirkonnas, nn peptidüültransferaasses tsentris. See on koht, kus moodustub aminohappeid koos hoidev peptiidside. Pikka aega arvati, et seda protsessi viivad läbi ribosoomi koosseisus olevad valgud. Ent kui tänaste laureaatide töö tulemusena selle kümnendi alguses selgus ribosoomi molekulaarne struktuur, ilmnes, et peptidüültransferaasse tsentri läheduses valgud hoopiski puuduvad ning seetõttu katalüüsib peptiidsideme teket ribosoomi RNA-komponent.
Asjaolu, et ka ribonukleiinhape suudab sarnaselt valkudele keemilisi reaktsioone läbi viia, on teada juba kolmkümmend aastat. 1989. aastal said RNA katalüütilise aktiivsuse avastamise eest Nobeli keemiaauhinna ameeriklased Thomas Cech ja Sidney Altman. Keemilisi reaktsioone katalüüsivaid ribonukleiinhappe molekule on hakatud nimetama ribosüümideks analoogia põhjal ensüümidega, mis keemiliselt koostiselt on valgud. Nii on ka ribosoom ribosüüm.
Ribosoomi RNA katalüüsivõime on täiendavaks argumendiks nn RNA-maailma teooria poolt. Selle teooria järgi valke elu väga varases arengujärgus polnudki ning kogu primitiivset ainevahetust ja päriliku info ülekannet põlvkonnast põlvkonda katalüüsisid ribonukleiinhappe molekulid. Mingil hetkel hakkas RNA abil toimuma ka aminohapete kondenseerumine erinevateks peptiidideks, millest evolutsiooni käigus selekteerusid keemiliste reaktsioonide katalüüsimise võimet omavad peptiidid. Et aminohapped ja neist moodustunud peptiidid/valgud on RNAga võrreldes tunduvalt paremad katalüsaatorid, läks eluprotsessides jäme ots pikkamisi valkude kätte ja RNA-katalüsaatorite tööpõld on tänapäeval üsna piiratud. Erandiks on siin ribosoom ise. Koosnedes nii nukleiinhappest kui valkudest, on ta sobiv vahemees nukleiinhapete ja valkude maailma vahel.
Asi oli röntgenkristallstruktuuranalüüsis
Nagu öeldud, oli tänaste laureaatide suurimaks teeneks ribosoomi molekulaarse struktuuri kindlaks tegemine. Võib ette kujutada, et sadu tuhandeid aatomeid sisaldava molekuli puhul pole see ülesanne kergete killast. Põhiline abivahend oli siin keerulise nimega füüsikaline tehnika - röntgenkristallstruktuuranalüüs.
Röntgenkristallograafia põhineb asjaolul, et ruumis korrapäraselt paiknevatelt kristallvõre aatomitelt hajudes (difrageerudes) muutub väga lühikese lainepikkusega (λ = 10-11 - 10-9 m) valguskiirte (röntgenkiired) tee kindlal viisil ja tundlikul ekraanil joonistavad need valguskiired kindla mustriga nn difraktsioonipildi. Selle difraktsioonipildi analüüs võimaldab kindlaks määrata aatomite ruumilise paigutuse kristallis.
Nagu ütleb meetodi nimigi, on molekulide struktuuri määramiseks röntgenkristallograafia abil eeltingimuseks see, et uuritavad molekulid moodustaksid ruumis rangelt korrapärase struktuuri ehk kristalli. Suurte biomolekulide korral, nagu seda on valgud ja valk-nukleiinhappe kompleksid, on röntgenkristallograafias esimene suur raskus juba kvaliteetsete kristallide saamine. Ribosoomi puhul kulus teadlastel selleks aastakümneid. Üks pioneere ribosoomide kristalliseerimise valdkonnas oligi üks tänane laureaat - Ada Yonath. Tema ja ta kolleegide pingutuste tulemusena õnnestus 1990. aastate alguseks saada piisavalt kvaliteetseid ribosoomi kristalle. Koos muude tehniliste uuendustega, nagu võimsate sünkrotronkiirguse allikate kasutuselevõtt, kristallide külmutamine madalatele temperatuuridele ja täiustatud andmeanalüüsi meetodid, õnnestus Thomas Steitzi töörühmal 1999. aastal konstrueerida esimene, keskmise lahutusvõimega (7,8 ongströmit) kristallstruktuuril põhinev ribosoomi mudel.
Järgneval kümnel aastal on ribosoomi kristallstruktuuride määramise täpsus üha kasvanud ja ribosoomi struktuur on määratud kompleksis mitmesuguste teiste molekulidega, kaasa arvatud antibiootikumid. Oluline osa sellest tööst on tehtud Thomas Steitzi laboris Yale'i ülikoolis ja Venkatraman Ramakrishnani laboris Cambridge'i ülikoolis Inglismaal.
Üks põhjus, miks ribosoomide struktuuri nii intensiivselt uuritakse, on asjaolu, et ligi pooled meditsiinis kasutatavatest antibiootikumidest pärsivad ühel või teisel moel ribosoomi tööd ja takistavad seetõttu raku jaoks eluolulist valgusünteesi. Kuigi üldjoontes on nii inimeste kui bakterite ribosoomi struktuur sarnane, eksisteerib ka hulk väikseid erinevusi. Nendel erinevustel põhinebki antibiootikumide kasutamine bakterite valgusünteesi pärssimiseks. Erinevad antibiootikumid pärsivad erinevaid valgusünteesi etappe ja seonduvad ribsoomi eri osadega. Näiteks paromomütsiin ja kanamütsiin (turustatud nimede Humatin ja Kantrex all) seonduvad ribosoomi kahe alaüksuse vahelisse piirkonda ja sunnivad ribosoomi lülitama sünteesitavasse valku valesid aminohappeid. Seetõttu kaotavad need valgud oma bioloogilise funktsiooni ning muutuvad rakule toksiliseks. Teised antibiootikumid, näiteks erütromütsiin (turustatud nime Erythroped all), takistavad valguahela kasvamist ribosoomis, sulgedes kasvava valgumolekuli tee ribosoomist välja. Sõltumata toimemehhanismist peavad antibiootikumid olema selektiivsed ja pärssima ainult bakterite, mitte meie enda valgusünteesi.
Ribosoomi struktuuri analüüs on oluliselt suurendanud teadmisi selle kohta, millised ribosoomi osad on olulised antibiootikumide toimes ning milline on ühe või teise antibiootikumi toime keemiline mehhanism. See teadmine on omakorda oluline keemikutele, kes uusi antibiootikume disainivad. Ja vajadus uut tüüpi antibiootikumide järele kasvab tänu bakterite suurenevale antibiootikumiresistentsusele, mille tõttu senised antibiootikumid muutuvad batsillide vastu üha hambutumaks.
JAANUS REMME (1953) on molekulaarbioloog, PhD, Tartu Ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi professor. Teadustöö põhisuunad: valgu biosüntees, ribosoomide biogenees, RNA bioloogia, struktuur ja funktsioonid.
KALLE KIPPER (1981) on Tartu Ülikooli Molekulaar- ja rakubioloogia instituudi doktorant. Täiendanud end Uppsala Ülikooli Biomeditsiinikeskuses biokeemias. Teadustöö põhisuunad: bio- ja keskkonnateadused, näiteks biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika.
