Právě teď, když čteš tuhle větu, se ti v hlavě přepnulo nespočet drobných elektrických spínačů, aby sis ji mohl později vybavit. Donedávna je vědci znali jen jako nehybné sochy; teprve teď je zachytili přímo v okamžiku přepnutí.
Spínače se jmenují AMPA receptory a bez nich bychom si nepamatovali jména, melodie ani to, kam jsme si předtím odložili klíče. Je to fyzický mechanismus, který se poprvé podařilo doslova zachytit v akci.
Proč to nešlo vyfotit dřív
Molekuly jako AMPA receptor jsou nesmírně malé a navíc se neustále hýbou. Dosavadní metoda, rentgenová krystalografie, kterou vědec Eric Gouaux se svým týmem dlouho používal, potřebuje molekulu znehybnit. Statisíce identických kopií se musí poskládat do pravidelného krystalu, aby z něj šel „vyčíst“ tvar. Výsledkem je ale spíš umělá socha než obraz toho, jak se molekula chová ve svém přirozeném prostředí.
AMPA receptor navíc musí zůstat zasazený v buněčné membráně, jinak nefunguje tak, jak má. Vytáhnout ho ven kvůli krystalizaci je podobné, jako zkoumat rybu poté, co ji vylovíte z vody. Dlouho to vypadalo jako neřešitelný rozpor: buď vidět přesný tvar, nebo vidět přirozené chování, nikdy obojí najednou.
Jak se podařilo obejít tenhle limit
Řešením je kryoelektronová mikroskopie, zkráceně cryo-EM, metoda, která podle vědců v posledních letech zásadně proměnila celý obor strukturní biologie. Místo krystalizace stačí vzorek bleskově zmrazit a prohlédnout si ho elektronovým mikroskopem přímo v téhle zmrazené podobě.
Gouaux k tomu dodává, že jde o citlivou metodu, která si vystačí s malým množstvím molekul, a poprvé tak umožňuje zkoumat receptor přesně v té podobě, v jaké existuje v živé tkáni. Tým z Vollum Institutu, který je součástí amerického OHSU, díky ní popsal deset různých podob, v nichž se přirozený AMPA receptor v mozkové tkáni potkanů vyskytuje. Připomíná to spíš sled fotek zachycující pohyb než jeden strnulý záběr.
Co se vlastně přepíná
AMPA receptor funguje jako branka zasazená do membrány neuronu. Skládá se ze čtyř podjednotek, které vědci označují GluA1 až GluA4 a které společně vytvářejí jakýsi prstenec s kanálem uprostřed. Když se k receptoru naváže glutamát, chemická zpráva, kterou si neurony posílají mezi sebou, podjednotky změní polohu a kanál se otevře. Dovnitř buňky se nahrne proud elektricky nabitých iontů, a tím vznikne nervový impulz.
Nová struktura navíc ukázala, že se podjednotky v receptoru neskládají náhodně. Nejčastěji vznikají kombinace tří různých typů podjednotek najednou a vědci poprvé popsali i dosud neviděné spojovací úseky, které propojují místo, kam glutamát dosedá, s částí kanálu, jenž se díky tomu otevírá. Tyhle receptory jsou obzvlášť husté v hipokampu, oblasti mozku, která je centrem paměti a učení. Čím častěji se určité spojení mezi neurony používá, tím silnější se stává, a to je fyzický základ toho, čemu říkáme zkušenost.
Co se stane, když spínač selže
Gouaux to shrnuje jasně: AMPA receptory jsou základní elektrické spínače mozku, a pokud nefungují správně, mozek přestává fungovat tak, jak má. Když se brána otevírá příliš snadno nebo zůstává otevřená déle, než má, neurony se přebudí, což se podílí na epileptických záchvatech. Když naopak receptorů ubývá nebo jsou poškozené, spojení mezi neurony slábnou, a to souvisí s poruchami paměti i s neurodegenerativními onemocněními, jako je Alzheimerova choroba.
Tahle souvislost zatím ale neznamená vyřešenou rovnici. Vědci teprve plánují porovnat strukturu zdravých receptorů s těmi z mozkové tkáně lidí, kteří těmito nemocemi trpěli, aby zjistili, v čem přesně je rozdíl. Nový popis struktury je k tomu nástroj, ne hotová odpověď.
Kdo tohle hledal a proč to trvalo
Za objevem stojí Eric Gouaux, vědec z Vollum Institutu a badatel instituce Howard Hughes Medical Institute, společně se svým týmem. Právě tahle instituce podporuje dlouhodobý základní výzkum bez okamžitého komerčního využití. Na studii, publikované v časopise Science 26. dubna 2019, se podílel i první autor Yan Zhao z Ústavu biofyziky Čínské akademie věd a vědci z Pacific Northwest National Laboratory ve Spojených státech.
Přestože se AMPA receptory zkoumaly celá desetiletí, jejich přesné složení a uspořádání zůstávalo neznámé až do téhle práce. Právě taková trpělivost, zkoumat jednu molekulu roky, než zapadne klíčový kousek skládačky, je důvod, proč dnes o mozku víme víc, než se dříve zdálo možné.