Fehérjeművészet

Gráf László
ELTE Biokémiai Tanszék
biokémia, fehérje, fehérjedinamika, M. C. Escher, Friedensreich Hundertwasser, Straub F. Brunó
szóelválasztás

A tudomány és művészet egyaránt az igazság és szépség felderítésére törekszik. Kifejezésmódjuk azonban jelentősen különbözik egymásétól. A tudományos kutató általában akkor használ fel előadásaiban képzőművészeti alkotásokat, ha mondanivalóját a szélesebb nyilvánosság számára is érthetővé kívánja tenni.

Magam is ezt a módszert használtam a Mindentudás Egyetemén 2005 november 28-án tartott előadásomban, melynek címe Fehérjeszobrászat: az alkotás öröme és haszna volt. A Magyar Biokémiai Vándorgyűlés „Structural Biology and Art” szekciójában ez év augusztus 25-én tartott előadásomban arra tettem kísérletet, hogy M. C. Escher és F. Hundertwasser néhány művének animálásával olyan fehérjeszerkezeti jelenségeket láttassak, amelyeket még nem tudunk kellő tudományos pontossággal leírni. Ez az írás a konferencián elhangzott előadásom gondolatmenetét és stílusát követi. Kérem ezért Olvasóimat, hogy írásomat ne a tudományos dolgozatoknak kijáró szakmai szigorral olvassák!

Eszmefuttatásom jelentős részt abból az élményből táplálkozik, amit Straub F. Brunónak a fehérjék szerkezetéről írt tanulmányai jelentettek számomra. Őszintén megvallom, hogy ezekkel a munkáival már csak halála után, egy róla szóló emlékelőadásra (4th International Congress of the WHMA, August 27–29, 1998, Budapest) való felkészülés közben ismerkedtem meg. Részletes kifejtés helyett álljon itt néhány mondat Straub 1964-ben megjelent tanulmányából]:1

Fluctuation, envisaged by Linderstrøm-Lang as a necessary property of a protein in solution, becomes the basis of the physiological changes which occur when an enzyme molecule is exposed to environmental influences including substrates, ions, hormones, and other interacting materials. We have to admit that the steric structure of an enzyme is fluctuating between a number of slightly different conformations in the same environment and it may suffer pronounced changes if this environment is changing, yet all the time it remains the native enzyme.

[A fluktuáció – mint a fehérje-oldatok Linderstrøm-Lang által kiszámolt szükséges tulajdonsága – válik a fiziológiai változások alapjává, amikor egy enzimmolekulát környezeti hatások érik, ide értve a szubsztrátokat, ionokat, hormonokat és más hatóanyagokat. El kell ismernünk, hogy egy enzim térbeli szerkezete – ugyanabban a környezetben – számos különböző konformáció között fluktuál, és lehet, hogy markáns változásokat szenved, ha ez a környezet változik, de egész idő alatt natív enzim marad. – A szerk.]

  • 1Straub F. B. (1964): Formation of the Secondary and Tertiary Structure of Enzymes. Advances in Enzymology 2. 89–114. p.

Straub F. Brunó a fentiekben egy olyan víziót fogalmaz meg a fehérjék szerkezetéről és működéséről, amelynek igazi értelmét csak napjainkban kezdjük felfogni. A röntgenkrisztallográfia hosszú egyeduralma, az 1960-as évek elejétől az 1990-es évek elejéig, a fehérjék merev szerkezetéről alkotott felfogást erősítette. A közelmúlt fehérjedinamikai kutatásai és a rendezetlen szerkezetű fehérjék felfedezése nagymértékben módosították ugyan ezt a szemléletet, ismereteim szerint azonban még mindig nem áll rendelkezésünkre olyan kísérletes módszer, amellyel az oldatban lévő fehérjék belső mozgásai olyan atomi pontossággal követhetők lennének, mint amilyen atomi pontossággal határozható meg a kristályos fehérje szerkezete. Így aztán maradt még tere a képzeletnek.

Nem én vagyok az első, aki Maurits Cornelis Escher, holland grafikus műveiben felismerte a fehérjék kristályszerkezetét meghatározó rendező elveket, a szimmetriát, a komplementaritást, a szigorúan pontos térkitöltést. A művész gazdag munkásságából ad ízelítőt az 1. ábra. A csoda azonban az, vagy inkább varázslat, hogy ezek a szigorú rendben szerkesztett grafikák és fametszetek a nyüzsgő mozgás érzetét keltik bennünk. A halak úsznak, a madarak szárnyalnak. Ezt szeretném szemléltetni a művész két grafikájának életre keltésével, 2. ábra. A két animációval természetesen az a célom, hogy M. C. Escher alkotásaival illusztráljam azokat a fehérjeszerkezeti fluktuációs ciklusokat, melyről a fenti idézetben Straub professzor beszélt.

1. ábra. Maurits Cornelis Escher, holland grafikus
Nem én vagyok az első, aki Maurits Cornelis Escher, holland grafikus műveiben felismerte a fehérjék kristályszerkezetét meghatározó rendező elveket, a szimmetriát, a komplementaritást, a szigorúan pontos térkitöltést.
2. ábra. A halak úsznak, a madarak szárnyalnak
A halak úsznak, a madarak szárnyalnak. Ezt szeretném szemléltetni a művész két grafikájának életre keltésével. A két animációval természetesen az a célom, hogy M. C. Escher alkotásaival illusztráljam azokat a fehérjeszerkezeti fluktuációs ciklusokat, melyről a fenti idézetben Straub professzor beszélt.

Az ELTE Szerkezeti Biokémia doktori program rendezvényein Vértessy Beáta (MTA SZBK Enzimológiai Intézet, Budapest) tanítványai több ízben beszámoltak egy különös DNS-hibajavító enzim, a dUTPáz szerkezetéről és működéséről. A homotrimer felépítésű és háromszög alakú enzim szerkezeti modellje engem M. C. Escher Kígyók című alkotására emlékeztet. Az egymásba fonódó három kígyó forgási szimmetriája megegyezik az enzim egymásba fonódó alegységeiével. (3. ábra)

3. ábra. Kígyók és a dUTPáz működése
Az ELTE Szerkezeti Biokémia doktori program rendezvényein Vértessy Beáta (MTA SZBK Enzimológiai Intézet, Budapest) tanítványai több ízben beszámoltak egy különös DNS-hibajavító enzim, a dUTPáz szerkezetéről és működéséről. A homotrimer felépítése és háromszög alakú enzim szerkezeti modellje engem M. C. Escher Kígyók című alkotására emlékeztet. Az egymásba fonódó három kígyó forgási szimmetriája megegyezik az enzim egymásba fonódó alegységeivel.

Ez adta az ötletet a Biokémia folyóirat legutóbbi számában (XXXIII. évfolyam 3. szám) megjelent címlapkép komponálásához. A fotómontázsnak az Összefonódás címet adtuk. Az enzim dUTPáz inhibitorral és Mg+2 kofaktorral alkotott komplexének kristályszerkezete (pdb ID 3EHW) nyilvánvalóvá tette, hogy a homotrimer enzimnek három aktív centruma van, melyek felépítésében mindhárom alegység részt vesz. De vajon hogyan befolyásolja ez az intim szerkezeti összefonódás az enzim dinamikus működését? Alkalmas kísérleti módszer hiányában ennek a bonyolult problémának a mérlegelésekor is csak a fantáziánkra hagyatkozhatunk. Megkockáztatom, természetesen csak tréfásan és az egzakt tudományok iránti mély tisztelettel, hogy a dUTPáz alegységek összehangolt működésének titkát egyelőre M. C. Escher kígyóiban kell keresnünk.

Összefonódás
Biokémia XXXIII. évfolyam 3. szám (címlap)

Az 1980-as éveinek derekán, az Amerikában elsajátított új technológia, az irányított mutagenezis bűvöletében, az ELTE Biokémiai Tanszékén azt a célt tűztem ki magam elé, hogy munkatársaimmal felderítem a két rokonszerkezetű szerin proteáz, a pankreatikus tripszin és kimotripszin markánsan eltérő szubsztrátspecifitásának szerkezeti okát. A probléma egyszerűnek látszott, hiszen a két specifitás közti különbséget akkoriban minden szakember a két enzim kötőzsebének alján elhelyezkedő aminosav, az aszparaginsav (a tripszinben) és szerin (a kimotripszinben) különbözőségére vezette vissza. Az egyszerű aminosavcserék azonban nem vezettek eredményre. Hosszú évek során jutottam arra a kísérletes alapon nyugvó feltételezésre, hogy a tripszin és kimotripszin különböző szubsztrátspecifitásának hátterében, néhány aminosav különbözőségén túl, a két proteáz aktivációs doménjeinek eltérő szerkezeti plaszticitása áll.

A probléma kísérletes tisztázására irányuló legutóbbi kutatásainkkal2 egyidőben figyeltem fel Friedensreich Hundertwasser osztrák építész és grafikus munkásságára (4. ábra). A művészt bemutató rövid összeállítás utolsó képei, az én olvasatomban, a fehérjék feltekeredésének (folding) mikéntjét feszegetik. Ugyan Hundertwasser aligha tudott a fehérjékről, a The Small Way című alkotásába némi fantáziával beleképzeltük a tripszinogén aktiváció mechanizmusát, majd a katalízis során feltételezhetően bekövetkező finom szerkezetváltozásokat (5. ábra). Számomra ezek a szívdobbanások fejezik ki legérzékletesebben azt, amit a fehérjék működéséről gondolok.

4. ábra. Friedensreich Hundertwasser
A probléma kísérletes tisztázására irányuló legutóbbi kutatásainkkal2 egyidőben figyeltem fel Friedensreich Hundertwasser osztrák építész és grafikus munkásságára. A művészt bemutató rövid összeállítás utolsó képei, az én olvasatomban, a fehérjék feltekeredésének (folding) mikéntjét feszegetik.
  • 2 Gombos L., Kardos J., Patthy A., Medveczky P., Szilágyi L., Málnási-Csizmadia A. and Gráf L. (2008): Probing Conformational Plasticity of the Activation Domain of Trypsin: The Role of Glycine Hinges. Biochemistry 47. 1675–1684. p.
5. ábra. Tripszinogén aktiváció mechanizmusa
Ugyan Hundertwasser aligha tudott a fehérjékről, a The Small Way című alkotásába némi fantáziával beleképzeltük a tripszinogán aktiváció mechanizmusát, majd a katalízis során feltételezhetően bekövetkező finom szerkezetváltozásokat. Számomra ezek a szívdobbanások fejezik ki legérzékletesebben azt, amit a fehérjék működéséről gondolok.

Az animációk Baksa Balázs (Al-Ba Filmstúdió, Kecskemét) animációsfilm-rendező művészetét dicsérik. Öröm volt vele dolgozni. Hasonlóan felemelő élmény volt együttműködni Szűcs Mária és Márki Árpád szerkesztőkkel. Türelmüket és odaadásukat ezúton is köszönöm.

Szerző

Gráf László az ELTE TTK-n szerzett vegyészdiplomát 1965-ben. 1985-ig a budapesti Gyógyszerkutató Intézetben dolgozott, 1975-től a Biokémiai Intézet vezetőjeként. 1968-ban doktorált, 1972-ben a biológiai tudomány kandidátusa, 1982-ben a biológiai tudomány doktora lett, 2001 óta az MTA rendes tagja. 1972–1973, 1980–1981 és 1984–1986 időszakokban a University of California, San Francisco Hormonkutató Intézetében dolgozott. 1981–1982 között a New York University Experimental Psychiatry tanszékének társprofesszora volt. 1986–2007 között az ELTE Biokémiai Tanszékét vezette. Jelenleg is az ELTE Szerkezeti Biokémia Program vezetője. Érdeklődésének középpontjában a szerin proteázok működési mechanizmusa áll. Ars poeticája szerint a tudományos kutatás nem áll távol a művészeti tevékenységektől. A közelmúltban nagysikerű képzőművészeti kiállítást szervezett az MTA Székházban A fehérjék színes világa címen.

Forrás

Biokémia XXXIII (2009) 4.