Revisiting biocrystallization: purine crystalline inclusions are widespread in eukaryotes

Třpytivé částečky v buňkách pozoroval již Charles Darwin, až nyní ale vědci z Přírodovědecké a Matematicko-fyzikální fakulty UK v nové studii v The ISME Journal odhalili, že se ve většině případů jedná o purinové biokrystaly, jež mají unikátní vlastnosti. Tento objev může nalézt využití v medicíně při léčbě dny nebo ledvinových kamenů, ale i jako nové optické materiály nebo zelenější hnojiva.

Třpytivé krystaly v buňkách lidé pozorují již od objevu mikroskopů. Až nyní ovšem vědci z Přírodovědecké a Matematicko-fyzikální fakulty UK spolu s kolegy z Biologického centra Akademie věd ČR objevili, oč přesně se jedná. „Zjistili jsme, že biokrystaly se nevyskytují jen u lidí a zvířat – jako kosti, zuby nebo třeba ledvinové kameny –, ale že i mikroorganismy tvoří biokrystaly, které mají překvapivě většinou purinové složení,“ říká Jana Pilátová, první autorka studie v časopise International Society for Microbial Ecology (ISME) s impakt faktorem 10,302, který vydává nakladatelství Springer Nature.

Puriny jsou speciální samy o sobě – jsou součástí nukleových kyselin (DNA a RNA), v buňkách bývají zdrojem chemické energie nebo se podílejí na buněčné signalizaci.

„Purinové biokrystaly mají řadu unikátních funkcí, například představují zásobárnu dusíku nebo mají velmi zajímavé optické vlastnosti, efektivně reflektují světlo, mají velký index lomu a polarizují světlo, což je mimo jiné předurčuje k využití v biooptice nebo nových materiálech. Tyto krystaly ale neumíme připravit v laboratoři, vznikají pouze v buňkách. Mikroorganismy tak mohou být ideálním modelovým systémem a odrazovým můstkem pro další studie v oborech od buněčné biologie až po globální ekologii, s potenciálním využitím v biotechnologiích, biooptice, ale i lidské medicíně,“ vyjmenovává vědkyně.

Dlouhé čekání na objev

Proč až teď? „Na to se mě kolegové z Matfyzu ptají od začátku, jak je možné, že biokrystaly byly tak dlouhou dobu pozorované bez toho, aniž bychom věděli, o co se jedná. I náš objev vznikl vlastně náhodou, a to díky unikátní metodě – Ramanově mikroskopii,“ líčí Jana Pilátová.

„Jedná se o analytickou metodu, která unikátně kombinuje vibrační spektroskopii a mikroskopii. Běžně se používá v chemii, geologii nebo v materiálovém inženýrství. Pro biologii je ovšem ‚novinkou‘. Přitom se díky ní dá přímo v buňkách studovat chemické složení molekul – každá molekula má totiž unikátní vibrační spektrum, něco jako vlastní otisk prstu,“ říká hlavní autorka studie, podle níž má metoda kromě výhod i jistá omezení, a proto je ideální spolupracovat s odborníky, kteří mají optiku a spektroskopii takříkajíc v malíčku. „Což se v tomto případě perfektně povedlo ve spojení s Matfyzem, kde mě kolegové vzali mezi sebe jako vlastní,“ říká vědkyně původně z pražské Přírodovědy.

Místo lovu pokémonů unikátní kolekce

Jana Pilátová s kolegy prvně objevila purinové biokrystaly v řasách. „Když jsem viděla, že se vyskytují i v nepříbuzných druzích, začalo mě to zajímat o to víc. Pátrala jsem v literatuře i na obrázcích na internetu... a nacházela jsem je všude. Zbývalo je jen dokázat. Tak jsem místo pokémonů začala sbírat a měřit mikroorganismy. Moje sbírka pokrývá všechny kontinenty a vegetační pásma,“ líčí se smíchem vědkyně.

Purinové biokrystaly se podařilo nalézt v mikroorganismech žijících ve všech typech prostředí – ve volně žijících i v symbiotických řasách například v korálech v tropických mořích, v parazitech živočichů, v arktických řasách anebo v těch, co způsobují toxické vodní květy, ale i v prvocích, ve střevech termitů či v hlenkách a měňavkách!

Z více než dvou set studovaných druhů jich 77 procent tvořilo biokrystaly, které byly z osmdesáti procent purinové, což mimo jiné zcela změnilo dosavadní představy o jejich výskytu. Povětšinou se tradovalo, že v mikroorganismech převládá kalcit, aragonit nebo šťavelany. „Puriny byly objeveny pouze třikrát nezávisle na sobě, nikdo si to nespojil dohromady, a pak se na ně dokonce zapomnělo úplně. V některých druzích mikroorganismů jsme je tak znovuobjevili, ale ve většině prokázali úplně poprvé. Naše výsledky ukazují, že puriny jsou nejstarší a nejuniverzálnější typ biokrystalů vůbec, musel být už v té prvopočáteční prabuňce – předkovi všech eukaryotických buněk. Vzhledem k tomu, že jejich současná diverzita je tak obrovská, tak i množství funkcí může být celá řada,“ vysvětluje vědkyně, podle které to byl a je „projekt snů“.

Od nových materiálů k léčbě nemocí

Charakterizace biokrystalů v mikroskopických organismech totiž otevírá mnoho otázek i možných způsobů využití: „Tento náš objev může být odrazovým můstkem pro řadu zajímavých výzkumů, například jak biokrystaly vznikají či jak je buňky degradují, protože prvoci je na rozdíl od nás živočichů umí degradovat. To by mohlo přinést nové poznatky pro léčbu onemocnění, jako je dna nebo ledvinové kameny,“ míní Pilátová.

Doposud se totiž purinové krystaly studovaly pouze u mnohobuněčných živočichů, jako již zmíněné ledvinové kameny nebo třpytivá vrstva na rybích šupinách, látky podílející se na změně barvy chobotnice či chameleona anebo zlepšují zrak nočním a hlubokomořským živočichům. 

Již dnes se purinové krystaly používají jako třpytky v kosmetice. „V současnosti se vyrábí z guána – z marketingového hlediska by možná vypadalo lépe, kdyby se místo výkalů mořských ptáků využívala produkce biokrystalů v řasách,“ usmívá se vědkyně. Možné využití purinových biokrystalů je ale mnohem širší, kromě nových optických materiálů by se vzhledem k velkému obsahu dusíku mohly používat jako přírodní hnojivo. Naopak ukládání purinů v řasách může být problémem v potravinových doplňcích, protože zvýšený příjem nerozpustných purinů není zdraví prospěšné.

„Dusík je zároveň jeden z nejdůležitějších prvků v přírodě. Jeho koloběh úzce souvisí s uhlíkem, a tím i s globálním oteplováním. Dosud se nevědělo, že ho mikroorganismy mohou ukládat v takovém množství. Hlubší pochopení funkce a vzniku biokrystalů je tak obrovskou výzvou pro buněčné biology, materiálové chemiky i lékaře, a může přinést nové souvislosti, jež si ještě neumíme představit,“ říká Jana Pilátová.