Miliony ludzi na całym świecie zmagają się z chorobami pasożytniczymi takimi jak śpiączka afrykańska i choroba Chagasa, które stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego, szczególnie w regionach tropikalnych. Te groźne infekcje wywoływane są przez jednokomórkowe organizmy pasożytnicze, przenoszone zazwyczaj przez owady takie jak mucha tse-tse. Naukowcy od dziesięcioleci próbują zrozumieć mechanizmy działania tych pasożytów, by skutecznie je zwalczać.
Jednym z kluczowych elementów umożliwiających przetrwanie i rozprzestrzenianie się pasożyta Trypanosoma brucei, wywołującego śpiączkę afrykańską, jest wiciowaty aparat ruchowy zwany witką (flagellum). Ta smukła struktura działa jak mikroskopijny silnik – pozwala pasożytowi poruszać się w płynach ustrojowych nosiciela, wnikać do komórek i unikać odpowiedzi immunologicznej. Teraz zespół naukowców z California NanoSystems Institute (CNSI) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles (UCLA) dokonał przełomowego odkrycia, tworząc najbardziej precyzyjną, trójwymiarową mapę flagellum T. brucei.
W badaniu, opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie naukowym Science, zidentyfikowano aż 154 białka budujące flagellum, w tym 40 unikalnych, które występują tylko u tego konkretnego pasożyta. To odkrycie stanowi ważny krok w diagnozowaniu oraz projektowaniu potencjalnych leków celujących dokładnie w strukturę i funkcje tych specyficznych białek.
Do stworzenia trójwymiarowej mapy flagellum wykorzystano najnowocześniejszą technikę obrazowania – kriomikroskopię elektronową (cryoEM), która pozwala na uzyskanie obrazu biomolekuł w ekstremalnie niskich temperaturach i z dokładnością atomową. Dzięki tej metodzie możliwe było uchwycenie flagellum w tzw. stanie przejściowym – kluczowym momencie zmiany ruchu, co umożliwiło stworzenie realistycznego modelu działania pasożyta podczas poruszania się w krwi nosiciela.
Zespół badawczy zastosował również narzędzia wykorzystujące sztuczną inteligencję, które pozwoliły przewidzieć kształt białek w oparciu o sekwencje aminokwasów. Jak podkreślił profesor Z. Hong Zhou, współautor badania i dyrektor Centrum Obrazowania Elektronowego CNSI, opracowana „molekularna mapa flagellum ujawnia nie tylko budowę strukturalną, ale także pokazuje, jak siła i ruch generowane są na poziomie atomowym”.
Interesującym aspektem odkrycia jest sposób, w jaki Trypanosoma brucei wykorzystuje swe mikrosilniki do poruszania się – działa to podobnie jak zsynchronizowane wiosłowanie w łodzi smoczej, gdzie każdy mikroskopijny „wioślarz” współpracuje w rytmie z całą grupą, by pasożyt mógł przemieszczać się przez gęste środowisko ludzkiego ciała.
Ruchliwość pasożyta nie jest jedynie cechą biologiczną – ma ona fundamentalne znaczenie dla przeżycia i efektywnego zakażania kolejnych gospodarzy. Jak tłumaczy profesor Kent Hill, kolejny z autorów publikacji, „flaga pasożyta została ukształtowana ewolucyjnie tak, by działać z maksymalną skutecznością zarówno w organizmie muchy tse-tse, jak i w ludzkim krwiobiegu.” Zrozumienie tej wyjątkowej biologii może dostarczyć ważnych informacji o adaptacyjnych mechanizmach, które sprawiają, że Trypanosomy są tak odporne na konwencjonalne leczenie.
Zastosowanie najnowszych technologii może również przyczynić się do rozwoju terapii przyszłości. Śpiączka afrykańska zazwyczaj zaczyna się od objawów grypopodobnych – gorączki, bólów głowy, zmęczenia i bólu stawów – jednak wraz z migracją pasożyta do centralnego układu nerwowego, mogą rozwinąć się ciężkie powikłania neurologiczne, a nawet śmierć. Uzyskane dane wskazują potencjalne cele dla terapii molekularnych, które mogłyby zablokować transmisję pasożyta lub zniszczyć jego struktury krytyczne dla przeżycia.
Poza oczywistym znaczeniem medycznym, to badanie może również wpłynąć na inne dziedziny nauki. Analiza mechaniki ruchu tych organizmów może dostarczyć inspiracji inżynierom i projektantom robotów biomimetycznych. Co więcej, szczegółowe poznanie struktur, które ewoluowały w specyficznym kierunku miliony lat temu, pozwala nauce lepiej zrozumieć wczesne etapy ewolucji organizmów jednokomórkowych.
Badanie zostało opracowane przez multidyscyplinarny zespół naukowców z UCLA, a głównym autorem jest dr Xian Xia – były postdoktorant, a obecnie naukowiec prowadzący projekt badawczy. Współautorami są także Michelle Shimogawa, Hui Wang, Samuel Liu, Angeline Wijono, Gerasimos Langousis, Ahmad Kassem oraz James Wohlschlegel.
Realizacja projektu była możliwa dzięki wsparciu finansowemu ze strony Narodowego Instytutu Zdrowia Stanów Zjednoczonych oraz Narodowej Fundacji Nauki. Kluczowa dla sukcesu była również infrastruktura badawcza Centrum Obrazowania Elektronowego CNSI, gdzie przeprowadzono skomplikowane procesy zbierania i analizowania danych obrazowych.
Nowe spojrzenie na struktury Trypanosoma brucei nie tylko toruje drogę dla skuteczniejszego leczenia chorób pasożytniczych, lecz również odkrywa tajemnice mikroświata i uświadamia, jak wiele pozostaje jeszcze do zrozumienia w świecie organizmów mikroskopijnych.
