Jak origami pomaga zrozumieć białka powodujące chorobę Alzheimera?
Forma i funkcja są ze sobą nierozerwalnie związane. Zasada ta dotyczy zarówno codziennych przedmiotów, jak i struktur biologicznych. Zrozumienie działania cząsteczek wymaga poznania ich kształtu. W tym celu nauka wykorzystuje nie tylko komputery i modele cyfrowe, ale także fizyczne makiety i rzeźby, które wzbogacają odbiór sensoryczny. W tym kontekście technika origami staje się skutecznym narzędziem edukacyjnym i badawczym.
Origami a choroba Alzheimera
.Od lat badania nad białkami koncentrują się na ich strukturze i funkcji, szczególnie w kontekście chorób metabolicznych i zwyrodnieniowych. Jednym z kierunków rozwoju tych badań stało się łączenie nauki z praktykami artystycznymi, co otworzyło nowe możliwości dydaktyczne. Początki takich eksperymentów były proste: brak dostępu do gotowych modeli cząsteczek zastępowano drutami i słomkami, tworząc własne konstrukcje przestrzenne. To podejście pokazało, jak ważna w nauce jest wizualizacja trójwymiarowa. Połączenie tych umiejętności z badaniami nad strukturą białek doprowadziło do opracowania modeli origami, które obrazują proces fałdowania amyloidów.
Wizualizacja była kluczowym elementem wielu przełomowych odkryć naukowych. Pozwoliła zrozumieć budowę DNA oraz białek takich jak hemoglobina. Za te osiągnięcia James D. Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w medycynie w 1962 roku, a Max Perutz i John Kendrew w dziedzinie chemii – czytamy na stronie „The Conversation”. W 2024 roku kolejną Nagrodę Nobla w chemii przyznano za wykorzystanie sztucznej inteligencji w przewidywaniu struktur białek globularnych.
Białka pełnią swoje funkcje dzięki określonej formie. Zrozumienie tych kształtów jest trudne, ponieważ większość osób nie potrafi wyobrazić sobie trójwymiarowych cząsteczek. Dlatego oprócz statycznych ilustracji wykorzystywane są fizyczne modele i wizualizacje 3D. Popularnym narzędziem w tej dziedzinie jest ChimeraX, a także druk 3D i zestawy dydaktyczne. Nie zawsze jednak dają one pełny obraz, dlatego wciąż poszukuje się prostych, tanich i dostępnych metod, które pozwalają lepiej zrozumieć złożone struktury. W tej roli papier sprawdza się wyjątkowo dobrze.
Amyloidy są szczególnym przykładem białek. W chorobach takich jak choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, cukrzyca typu 2 oraz encefalopatiach prionowych tworzą długie i stabilne włókna. Z medycznego punktu widzenia określa się je jako nieprawidłowe, jednak w rzeczywistości są to bardzo precyzyjne, powtarzalne struktury. Zidentyfikowano już setki ich wzorów, a dziesiątki chorób są z nimi powiązane. Ich złożona geometria czyni z amyloidów obiekt wymagający jasnych i przystępnych metod prezentacji.
Modele papierowe pomocne w zrozumieniu choroby
.Aby ułatwić zrozumienie tych struktur, powstały modele papierowe oparte na origami. Każdy arkusz przedstawia β-arkusz białka. Zagięcia odpowiadają ułożeniu łańcuchów bocznych. Po złożeniu tworzą harmonijkę, która odzwierciedla typowy wzór amyloidu. Kiedy dwa takie modele zostaną zestawione, zagięcia łączą się naprzemiennie, przypominając zamek błyskawiczny i pokazując, dlaczego włókna amyloidowe są tak stabilne.
Jeden arkusz z 16 zagięciami reprezentuje peptyd złożony z 16 aminokwasów. Modele można łączyć w większe struktury, co pozwala odtworzyć długie włókna. Aby zilustrować niektóre z nich w naturalnej skali, potrzebnych byłoby około 250 arkuszy A4, co odpowiada długości ponad 50 metrów. W zajęciach dydaktycznych takie modele umożliwiają wspólne tworzenie i obserwowanie, jak pojedyncze elementy budują bardziej złożone układy.
Wszystkie modele mają swoje ograniczenia, ale ich siłą jest jasne pokazanie logiki działania amyloidów. Zaawansowane techniki badawcze, takie jak kriomikroskopia elektronowa i rezonans magnetyczny NMR, pozwalają uzyskać dane atomowe. Origami natomiast pozwala przekazać ich zasadę w prosty sposób.
Papierowy model amyloidu jest tani, dostępny i wierny rzeczywistości. Może być wykorzystywany w szkołach średnich, na uczelniach oraz podczas warsztatów naukowych. Uczniowie i studenci mogą samodzielnie tworzyć konstrukcje, które wcześniej znali tylko z ilustracji, co pogłębia zrozumienie budowy białek.
Projekt realizowany przy wsparciu „Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Biologia Estrutural e Bioimagem” podkreśla ścisły związek między formą i funkcją. Origami ułatwia poznanie logiki molekularnej i pokazuje, że sztuka może stać się narzędziem nauki.
Uczenie się – najlepsza profilaktyka chorób otępiennych
.Uczenie się jest, w rzeczywistości, czynnością całego życia – przekonuje na łamach „Wszystko co Najważniejsze” dr Alice LATIMIER specjalizująca się w nauce o mózgu, ze szczególnym uwzględnieniem psychologii poznawczej i nauki szkolnej z użyciem narzędzi świata cyfrowego. Przypomina, że od najmłodszych lat nasz mózg mobilizuje znaczną część swoich funkcji (skupienie, pamięć, widzenie, słyszenie, motoryka…) po to, abyśmy mogli nabywać nową wiedzę i nowe umiejętności. Jakie mechanizmy pozwalają nam się uczyć? I jak się one zmieniają wraz z upływem lat?
„Uczenie się jest dynamicznym procesem poznawczym, który przebiega w dwóch etapach: najpierw następuje pozyskanie nowej informacji, a później, jej zmagazynowanie w pamięci. Proces ten zostawia pewnego rodzaju odcisk w naszym mózgu, jako ślad po przeżytym doświadczeniu. A dokładniej, neurony, które uczestniczą w tym doświadczeniu i pozyskaniu nowej informacji zmieniają sposób, w jaki rozmawiają ze sobą: ich połączenia (synapsy) wzmacniają się lub zanikają.
Jesteśmy w pewnym sensie „zaprogramowani” na to, żeby się uczyć. Nasz mózg jest w stanie ciągle się dostosowywać i zmieniać pod wpływem naszych doświadczeń, od najmłodszych lat do starości. Nie ma więc jednego wieku na naukę nowego języka” – pisze dr Alice LATIMIER.
Laura Wieczorek
