Beatrycze Nowicka

Kolejny przykład tego, że nie należy pisać o rzeczach, których się nie rozumie. A także wyraz mojej wiary w to, że ignorancję należy piętnować. Przy okazji zaś trochę o enzymach, antybiotykach, wirusach i bakteriach.

UWAGA – artykuł zdradza wiele z fabuły „Trawy” Sheri S. Tepper.

W „Trawie” Sheri S. Tepper, akcja toczy się w odległej przyszłości, kiedy to rozprzestrzeniająca się po kosmosie zaraza zagraża całej ludzkości. Temat poszukiwania lekarstwa jest jednym z głównych wątków powieści. A gdy znajduje on swoje rozwiązanie…

Moja nauczycielka matematyki z liceum miała w zwyczaju wykrzykiwać „co ty mi tu za herezje piszesz!”, kiedy ktoś mylił się podczas rozwiązywania zadania przy tablicy. Ja miałam ochotę zakrzyknąć to samo, kiedy oczy me ujrzały wyjaśnienie zagadki wirusa.

Częsty błąd – uniwersalna biochemia

Jak większość autorów SF, Tepper milcząco założyła, że biochemia obcych form życia będzie niemal identyczna, jak nasza. Osobiście uważam, że jeśli kiedykolwiek odnajdziemy życie pozaziemskie, będzie ono oparte na polimerach węglowych, ale już na to, że będzie ono stosować niemal dokładnie takie same rozwiązania (ten sam zestaw aminokwasów, w ogóle białka jako podstawowe makrocząsteczki strukturalne, DNA – i to zawierający te same zasady azotowe – jako nośnik informacji itp.) jest znikome (chyba, że prawdziwa jest hipoteza o panspermii, czyli pozaziemskim pochodzeniu życia).

Jednak, jak już wspominałam, zwykle tak bywa w SF, więc można od biedy machnąć na to ręką i potraktować jako element sztafażu. Idziemy zatem krok dalej – oto wirus pochodzący z Trawy, nie tylko kiedyś doprowadził do wyginięcia rasę Arbaiów, lecz teraz zagraża ludziom. To oznacza, że zarówno istoty z Trawy, Arbaiowie, jak i życie ziemskie posiadają identyczny sposób zapisu i odczytu informacji genetycznej. Co więcej, wirusy raczej są wyspecjalizowane – najczęściej powodują choroby u jednego gatunku, lub też gatunków spokrewnionych (wiąże się to choćby z ich sposobem wnikania do komórek – wirusy zawierają cząsteczki odpowiedzialne za rozpoznawanie określonych, specyficznych dla gatunku, a często przecież dla konkretnego typu komórek markerów powierzchniowych, czyli cząsteczek występujących na zewnętrznej powierzchni błon komórkowych). Trudno mnie więc przekonać do sensowności istnienia takiego patogenu, który zaatakowałby formy życia pochodzące z różnych planet. A przy tym – cuda i dziwy – ów z jednej strony niewybredny wirus „ogranicza się” tylko i wyłącznie do pozatrawiańskich ras inteligentnych.

O alaninie i jej izomerach optycznych

A teraz przejdźmy do szczegółów. Kluczem do zrozumienia zagadki wirusów jest, jak to określa bohaterka powieści „substancja o długiej nazwie” (tak długiej, że kobieta z początku nie może jej zapamiętać), która to nazwa brzmi D-alanina. Prawda, że długa? Alanina zresztą bywa w książce również nazywana… białkiem. Bo co to za różnica, cegła czy dom?

Dłuższy fragment z książki:

„Tutaj, na Trawie, wyewoluował wirus, który w ramach swojego procesu reprodukcji tworzy pewien enzym, izomerazę, przekształcającą typową L-alaninę w D-alaninę (…) izomer, który, z tego co wiemy, nie występuje nigdzie indziej we wszechświecie. (…)

Po setkach tysięcy lat wirus rozpowszechnił się w komórkach tutejszych roślin. Kiedy rośliny umierały D-alanina była uwalniana do środowiska (…). Gdy tylko wysiedliśmy ze statku, zostaliśmy zarażeni. Wirus jest w powietrzu, kurzu i wodzie. (…) W ciągu kilku minut zapewne wniknął niemal do każdej komórki naszego ciała.

Jednakże wirus (…) potrzebuje aktywatora. Jest nim D-alanina. Białko wirusa łączy się z nią, a następnie błyskawicznie przemienia formę L w D. Jednakże wirus działa w obie strony. Może także połączyć się z L-alaniną, a wtedy jego białko przekształca formę D w L.

Na Trawie łączenie się wirusa z D-alaniną następuje niemal natychmiastowo, ponieważ jest jej bardzo dużo. Z kolei na innych planetach, takich jak Terra, gdzie występuje najwyżej kilka cząstek tej substancji, ten proces może potrwać znacznie dłużej. (…) Z tego samego powodu zaraza nie występuje na Trawie. Kiedy tylko zaczęliśmy oddychać tutejszym powietrzem, dostarczyliśmy naszym komórkom obu form alaniny. Zatem tutaj (…) wirus zmienia formę L, której potrzebujemy do przeżycia, w formę D, której nasze ciała nie mogą używać. Ale skoro oba rodzaje alaniny występują w dużej obfitości, wirus przekształca je równocześnie, a każda z naszych komórek znajduje wystarczająco dużo L-alaniny, żeby przetrwać. Na innych planetach było niewiele D-alaniny, bądź nie było jej wcale. Kiedy forma L uległa odwróceniu, pozostała tylko forma D, a komórki nie mogły z niej korzystać. (…) Na Trawie zarówno D-alanina, jak i L-alanina występują w dużej ilości, więc nasze komórki mogą przetrwać (…)

A zarazę rozprzestrzeniały nietoperze? (…) Lees twierdzi, że nietoperze nie wykorzystują alaniny. Jednakże alanina jest obecna we krwi innych zwierząt. (…)

Nie powiedziałaś, co jest lekarstwem (…) Wystarczy rozpowszechnić olbrzymie ilości D-alaniny. Jeżeli ktoś otrzyma małą dawkę, D-alanina połączy się z enzymem i człowiek umrze. Ale jeśli dostarczymy potężną dawkę, która nie może się w całości połączyć, wtedy doprowadzimy do równowagi między przemianą formy L w D oraz formy D w L.”

Punkt pierwszy – „nigdzie indziej we wszechświecie”

Owszem, w skład białek ziemskich organizmów wchodzi drugi izomer, L-Ala [1]. Jednak D-Ala występuje w przyrodzie – choć rzadziej – choćby w ścianach komórkowych niektórych bakterii, o czym szerzej napiszę później. Zresztą Tepper za chwilę sama sobie przeczy i to dwukrotnie.

Punkt drugi – „po setkach tysięcy lat”

Akurat ewolucja wirusów zazwyczaj przebiega w ten sposób, że powodowane przez nie choroby mają coraz łagodniejszy przebieg. Na dłuższą metę korzystniejszą strategią jest wbudowanie własnego materiału genetycznego w genom gospodarza tak, by był on powielany wraz z nim. Szybkie i gwałtowne infekcje może i pozwolą wirusowi intensywnie się rozprzestrzeniać, ale jeśli gospodarz wymrze, wymrze i wirus. Ostatecznie, taki „oswojony” wirus, który zamiast szybko wyeksploatować zasoby gospodarza, „przyczaja się” w jego genomie, może stać się fragmentem niekodującego DNA gospodarza.

Punkt trzeci – „w powietrzu, kurzu i wodzie”

Jak to się ma do późniejszych wynurzeń, że nosicielami były nietoperze? Z tego by wynikało, że wystarczy, by jakaś osoba lub rzecz przebywała na Trawie, a potem trafiła na inną planetę, by roznieść wirusa. Zatem cały wątek o złych Hippae (trawiańskie istoty inteligentne), podrzucających Arbaiom zdechłe nietoperze do teleporterów i tak unicestwiających tę rasę jest bez sensu, bo wystarczyłoby, żeby rzeczony Arbai wysłał komuś prezent, bądź wybrał się w odwiedziny, by wirusa rozpowszechnić. No i bez przesady z tymi „kilkoma minutami” wystarczającymi do wniknięcia do każdej komórki.

Punkt czwarty – regulacja aktywności izomerazy

Owszem, liczne izomerazy występują w przyrodzie, a katalizowane przez nie reakcje zwykle są odwracalne (czyli – enzym może przekształcać zarówno A w B, jak i B w A). Prawa równowagi chemicznej mówią, że w stanie równowagi stosunek stężeń reagentów jest wartością stałą. Gdyby umieścić taki enzym katalizujący reakcję „w obie strony” w roztworze substratu A, przekształcałby A w B, dopóki konkretny stosunek stężeń A/B nie zostałby osiągnięty. Potem w danej jednostce czasu tyle samo cząsteczek A byłoby przekształcane w B, co B w A i sumarycznie stężenia by się nie zmieniały. Jednak w komórce zachodzi wiele reakcji – jeśli więc związek B będzie wykorzystywany w dalszych reakcjach chemicznych, będzie on zużywany, a enzym cały czas będzie go „uzupełniał” i dominować będzie reakcja przekształcania A do B.

A teraz o regulacji. Większość enzymów, jeśli już, to jest hamowana przez swój produkt. Ta pętla sprzężenia zwrotnego działa jako zawór bezpieczeństwa – komórka musi utrzymywać stężenia swoich cząsteczek w ściśle określonym zakresie. Nie jest dla niej korzystna sytuacja, gdzie konkretny związek jest produkowany w nadmiarze, bo po pierwsze niepotrzebnie zużywa to zasoby komórki, a po drugie, powstaje problem składowania takiego związku.

Tepper opisuje sytuację odwrotną – enzym jest stymulowany przez swój produkt – związanie D-Ala „przestawia” go na reakcję L w D. Taki sposób regulacji prowadzi do amplifikacji procesu i można jeszcze przyjąć, że jest sensowny w przypadku wirusa. Tak, jak u części bakterii chorobotwórczych, u których występuje zjawisko tzw. „quorum sensing” – bakterie są w stanie wyczuć, kiedy ich ilość przekroczy pewien próg i dopiero po tym momencie zaczynają np. produkować toksyny (na zasadzie – póki jesteśmy słabi, siedzimy względnie cicho, ale gdy zbierze się nas wystarczająco dużo – ruszamy do zmasowanego ataku). Ostatecznie wirusowi powodującemu ostrą infekcję „nie zależy” na komórkach gospodarza, chodzi tylko o to, by doszło do jego gwałtownego namnożenia.

O ile jednak to, że związanie izomeru D prowadzi do faworyzowania reakcji w stronę D jest sensowne, to sytuacja odwrotna (że związanie formy L, stymuluje przemianę D w L) mija się z celem, bo oznacza, że reakcja pożądanej dla wirusa przemiany L w D jest hamowana przez swój substrat. Wirus „potrzebuje” by jego enzym związał L-Ala (w centrum katalitycznym), by przekształcić ją w D-Ala, ale jeśli zwiąże L-Ala w miejscu regulacyjnym, to jego aktywność jest przestawiona na produkcję L-Ala z D-Ala.

Ten sposób regulacji kłóci się też z proponowanym mechanizmem rozprzestrzeniania się choroby i jej leczenia. Otóż – nasz trawiański wirus trafia do organizmu człowieka. Tam dominuje L-Ala. Zatem, istnieje większe prawdopodobieństwo, że cząsteczka enzymu zwiąże L-Ala, co „przestawi” ją na zamianę D w L. Powiedzmy, na 1000 cząsteczek enzymu tylko kilka zwiąże D-Ala a reszta L-Ala. Zatem kilka z nich będzie przekształcać L w D, a w tym samym czasie dziewięćset kilkadziesiąt będzie „ustawione” na przekształcanie D w L. W tej sytuacji nie dojdzie do wydajnej produkcji D-Ala.

Ogólnie zresztą, tego rodzaju sytuacje, zwane czasem wchodzeniem w jałowe cykle, są z punktu widzenia organizmu niepożądane i wszelkie cykle oraz szlaki biochemiczne są tak regulowane, żeby tego zjawiska uniknąć. Organizmy nieposiadające mechanizmów regulacji pozwalających uniknąć jałowych cykli marnotrawiły swoje zasoby i energię i wymierały (no, parę wadliwych z punktu widzenia wydajności procesów się utrzymało [2] z różnych powodów, jednak cały czas organizmy żywe „pracują” nad ich poprawą).

Dalej – leczenie. Cóż pomoże duże podawanie D-Ala? Po pierwsze D-Ala jest potrzebna wirusowi, więc dodatkowe jej dostarczanie to strzał w stopę. Tepper zdaje się myśleć, że jak będzie dużo D-Ala, to będzie zachodzić jej przekształcanie w L-Ala. Tyle że wcześniej napisała, że dużo D-Ala prowadzi do faworyzowania produkcji jeszcze większej ilości D-Ala.

Punkt piąty – ozdrowienia

Ludzie, którzy przyjeżdżali na Trawę zdrowieli. Tak naprawdę powinno być odwrotnie – to właśnie na Trawie ludzie powinni chorować, bo tu jest dużo D-Ala. A jeśli by już nawet zapomnieć o całym mechanizmie i uznać, że zjadanie D-Ala powstrzymuje wirusa, to po opuszczeniu Trawy owi ozdrowieńcy zachorują ponownie (wszak wirusa zabrali ze sobą, a D-Ala już nie jedzą).

Tutaj warto też wspomnieć, że dosyć często mechanizmy pobierania przez układ pokarmowy, transportu, czy pobierania przez komórki są wybiórcze względem konkretnych izomerów optycznych (tak jest np. w przypadku witaminy E). Zastanawiam się zatem czy D-Ala z pożywienia istotnie trafiałaby do komórek, tu jednak trzeba by się zagłębić w literaturę przedmiotu.

Punkt szósty – „każda z naszych komórek znajduje wystarczająco dużo L-alaniny, żeby przetrwać”

Autorka zdaje się tu sugerować, że przyczyną zgonów był nie tyle rozwój wirusa, co zużywanie przez niego L-Ala. Tyle że (patrz punkt czwarty, akapit piąty), nie powinno do tego dojść. Poza tym, alanina jest dla człowieka tzw. aminokwasem endogennym, czyli takim, który nasze komórki potrafią wytwarzać.

Punkt siódmy – „nietoperze nie wykorzystują alaniny”

To dodano, by wytłumaczyć chyba, dlaczego same nie chorują. Sytuacja, gdzie pozostałe gatunki używają danego aminokwasu a jeden nie, jest praktycznie rzecz ujmując niemal niemożliwa. Taki gatunek musiałby być produktem osobnej linii ewolucyjnej, która oddzieliłaby się od reszty tuż po powstaniu życia na planecie. Wyrugowanie jednego aminokwasu oznacza bowiem inny kod genetyczny i zupełnie inne białka. Sytuacja, w której w każdym z tysięcy białek organizmu (dodajmy wielokomórkowego, skomplikowanego) dochodzi do podmiany każdej alaniny na inny aminokwas i to w dodatku tak, by nie doszło do zmian struktury prowadzących do utraty funkcji jest moim zdaniem niemożliwa.

Punkt ósmy i ostatni – terapia

Zostawmy tę nieszczęsną izomerazę a zachowajmy tylko tyle – D-Ala jest potrzebna wirusowi.

„Egzotyczna” biochemia faktycznie jest wykorzystywana przez organizmy chorobotwórcze. Na przykład wiele bakterii wykorzystuje D-aminokwasy. Wchodzą one w skład peptydów sieciujących łańcuchy polisacharydowe peptydoglikanu, to jest substancji tworzącej ścianę komórkową bakterii. Taki peptydoglikan tworzy osłonę komórki. D-aminokwasy są tu korzystne o tyle, że organizm gospodarza ich nie używa, a więc nie posiada enzymów, mogących na przykład ciąć takie peptydy i w ten sposób niszczyć peptydoglikan.

Pisząc krótko – nietypowe, rzadko występujące cząsteczki są „niewidoczne” dla biochemii gospodarza. Jednak to rozwiązanie ma też swoją wadę – jeśli już dojdzie do powstania jakiegoś mechanizmu, który „celuje” w te cząsteczki lub systemy ich syntezy, to ten mechanizm będzie specyficznie szkodził bakterii.

Specyficzność jest kluczem w terapii. Nowotwory dlatego są tak groźne i trudne w leczeniu, że tworzą je zmutowane komórki organizmu macierzystego, więc ich biochemia nie różni się znacząco (choć bywa rozregulowana). Dlatego nie można stworzyć leku, który będzie uszkadzał tylko komórki nowotworowe i stąd chemioterapia jest tak wyniszczająca – bo jest nieselektywna.

Tymczasem bakterie są już bardziej odmienne i posiadamy cały wachlarz antybiotyków. Większość z nich jest skierowanych przeciwko procesom i reakcjom typowym dla bakterii, przez co nie szkodzą pacjentowi (albo szkodzą niedużo). Słynna i zasłużona w medycynie penicylina (oraz inne antybiotyki beta-laktamowe), zawiera w swojej cząsteczce strukturalny analog fragmentu dipeptydu D-Ala-D-Ala i w związku z tym hamuje enzym, wbudowujący ten dipeptyd w ścianę komórkową bakterii. W medycynie stosowany jest także analog samej D-Ala – cykloseryna.

A to oznacza, że najprawdopodobniej byłaby ona skuteczna przeciw wirusowi wykorzystującemu D-alaninę i jakiś lekarz w desperacji stosujący po kolei wszystkie dostępne antybiotyki, czystym przypadkiem, mógłby natrafić na nią i przekonać się o jej skuteczności.

A nawet gdyby ów szczęśliwy przypadek się nie przytrafił (powiedzmy, cykloseryna wyszła z użycia, albo jednak nie hamowałaby wydajnie biochemicznej maszynerii wirusa) – to już na obecnym etapie rozwoju technicznego wykonalna byłaby analiza składu wirusa. Gdyby odkryto, że wirus zawiera D-Ala, aminokwas stałby się natychmiast obiektem intensywnych badań właśnie dlatego, że jest potencjalnym celem terapii specyficznej. Po potwierdzeniu tego, że D-Ala jest potrzebny do namnażania wirusa, możliwe byłoby zaprojektowanie analogu D-Ala, będącego inhibitorem wirusowego enzymu. Byłby on poszukiwanym lekarstwem.

Na koniec

Nie wiem, czy ktokolwiek jeszcze czyta ten artykuł, ale jeśli tak, to mam nadzieję, że dobitnie wyłożyłam, dlaczego podstawa „naukowa” „Trawy” jest bez sensu i gdzie autorka nie tylko „popisuje” się niewiedzą, ale sama sobie przeczy. Moim celem było również przekazanie paru ciekawostek. Dziękuję za uwagę.

–

[1] D i L to oznaczenia izomerów optycznych, zwanych także enancjomerami. D i L alanina różnią się konfiguracją podstawników przy atomie węgla C-alfa. Węgiel ten jest tzw. centrum chiralnym, co oznacza, że tworzy cztery wiązania z czterema różnymi podstawnikami. W tym przypadku istnieją dwie możliwe konfiguracje podstawników, mające się do siebie jak odbicia lustrzane. Roztwory zawierające rozpuszczone tylko izomery jednego rodzaju, skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego, stąd mówi się o izomerach prawo- i lewoskrętnych. Nasze białka budują tylko izomery L (plus glicyna, która nie występuje w formie izomerów optycznych, ponieważ nie posiada centrum chiralnego). Kiedy Marjorie mówi: „nie znamy powodu, dla którego niektóre cząsteczki są skręcone w jedną, a inne w drugą stronę”, mówi głupotę o tyle, że skręcalność optyczna to zdolność powodowania zmiany własności światła na skutek oddziaływania z cząsteczką, a nie skręcenie jej samej. Co zaś do pochodzenia: prosta synteza chemiczna nie jest stereospecyficzna, zatem jeśli w przeszłości dochodziło do powstawania cząsteczek organicznych w „zwykłych” reakcjach chemicznych, powstawały mieszaniny enancjomerów. Jednak enzymy organizmów żywych, przekształcające cząsteczki zawierające centra chiralne są wybiórcze i preferują jeden izomer. Na wczesnym etapie rozwoju życia musiało dojść do wyboru, który potem się utrwalił, choćby dlatego, że np. do powstawania uporządkowanych struktur makrocząsteczek potrzebne jest, by kolejne monomery miały tę samą konfigurację.

[2] Np. fotooddychanie.