Strukturní biologie představuje jeden z klíčových pilířů výzkumu na Katedře experimentální biologie. Na základě dat získaných pomocí rentgenové krystalografie i kryogenní elektronové mikroskopie určujeme trojrozměrné struktury proteinů a jejich komplexů, což umožňuje objasnit molekulární mechanismy jejich funkce, regulace i interakcí s biologicky aktivními látkami.

Naše práce se zaměřuje především na enzymy rostlinného metabolismu, proteiny zapojené do signalizace rostlinných hormonů a také proteiny s významem pro medicínu. Výsledky pravidelně ukládáme do mezinárodní databáze Protein Data Bank (PDB), která představuje celosvětový archiv experimentálně určených biomolekulárních struktur.

Za poslední roky jsme publikovali více než 60 proteinových struktur, které využívají výzkumné skupiny po celém světě.

Aldehyddehydrogenasy (ALDH) tvoří rozsáhlou rodinu enzymů, které detoxikují reaktivní aldehydy vznikající během metabolismu i při působení stresových faktorů. Naše skupina přispěla k objasnění struktury řady rostlinných i lidských zástupců této významné enzymové rodiny.

Rostlinné hormony představují klíčové regulátory růstu, vývoje a adaptace rostlin na měnící se podmínky prostředí. Jejich biologické účinky jsou řízeny přesně koordinovanou sítí enzymů a receptorů, které zajišťují biosyntézu, aktivaci, inaktivaci, transport i vnímání hormonálních signálů. Strukturní charakterizace těchto proteinů umožňuje objasnit jejich molekulární mechanismus, substrátovou specificitu a regulační vlastnosti.

Mezi studované biomakromolekuly patří především proteiny zapojené do metabolismu a signalizace cytokininů, ale také dalších rostlinných hormonů. Určili jsme struktury cytokinin oxidáz/dehydrogenáz (CKX), nukleosid-N-ribohydroláz (NRH), adenosinkináz (ADK), adeninfosforibosyltransferáz (APRT), receptorových histidinkináz i enzymů GH3 katalyzujících konjugaci auxinu. Mnohé z těchto struktur byly získány v komplexu s přirozenými substráty, kofaktory nebo syntetickými inhibitory, což umožnilo detailně popsat mechanismus jejich funkce a poskytlo základ pro racionální návrh nových regulátorů růstu rostlin.

Výsledky našeho výzkumu významně přispěly k pochopení molekulárních principů hormonální regulace rostlin a nacházejí uplatnění jak v základním výzkumu, tak při vývoji látek s potenciálním využitím v zemědělství a rostlinných biotechnologiích.

Vedle rostlinných proteinů se věnujeme také strukturní biologii enzymů s významem pro medicínu a biotechnologie. Cílem je objasnit jejich katalytický mechanismus, interakce se substráty a inhibitory a vytvořit základ pro jejich racionální modifikaci nebo terapeutické využití.

Významnou část tohoto výzkumu představuje methionin-γ-lyáza (MGL), pyridoxalfosfát-dependentní enzym katalyzující rozklad L-methioninu. Protože řada nádorových buněk vykazuje zvýšenou závislost na přísunu methioninu, je MGL považována za perspektivní nástroj enzymové protinádorové terapie. Naše skupina studuje strukturu MGL z různých bakteriálních druhů, jejich substrátovou specificitu, stabilitu i molekulární mechanismus katalýzy. Tyto poznatky mohou přispět k vývoji účinnějších a stabilnějších enzymů pro biomedicínské aplikace.

Fotosyntéza představuje jeden z nejvýznamnějších biologických procesů na Zemi. Její účinnost závisí na přesné organizaci rozsáhlých proteinových komplexů zabudovaných v tylakoidních membránách chloroplastů. Pomocí kryoelektronové mikroskopie (cryo-EM) studujeme jejich trojrozměrnou architekturu s téměř atomárním rozlišením a objasňujeme mechanismy zachycení a přeměny světelné energie.

Naše skupina se zaměřuje na strukturní studium fotosystému II, jednoho z největších a nejsložitějších membránových proteinových komplexů v přírodě. Tyto supramolekulární komplexy obsahují desítky různých proteinových podjednotek a stovky molekul chlorofylů, karotenoidů, lipidů a dalších kofaktorů, jejichž vzájemné uspořádání je nezbytné pro efektivní průběh fotosyntézy. Jejich experimentální řešení představuje mimořádně náročný úkol vyžadující špičkovou přípravu vzorků, moderní kryoelektronovou mikroskopii i pokročilé metody zpracování dat.