"Zainspirowani siłą ewolucji". Troje naukowców z chemicznym Noblem

Profesor Frances Arnold została wyróżniona za pracę nad ukierunkowaną ewolucją enzymów, za co otrzyma połowę nagrody - pół miliona dolarów (około 1,8 mln zł). "Jej badania są wykorzystywane do produkcji wszystkiego, od biopaliw po farmaceutyki" - wskazała Akademia na Twitterze.

Drugą częścią nagrody podzielą się Georg Smith i Gregory Winter. Pracowali oni nad wykorzystaniem prezentacji bakteriofagowej do produkcji nowych farmaceutyków. "Osiągnięcie to wykorzystuje się do produkcji przeciwciał, które mogą neutralizować toksyny, przeciwdziałać chorobom autoimmunologicznym i zapobiegać rakowi przerzutowemu" - napisali noblowscy jurorzy.

Frances Hamilton Arnold urodziła się w 1956 r. w Pittsburghu (USA). Studiowała inżynierię mechaniczną i lotniczą na Princeton University, zaś w 1985 r. obroniła doktorat z inżynierii chemicznej na University of California, Berkeley. Od 1986 r. związana jest z California Institute of Technology (Caltech), gdzie prowadzi laboratorium zajmujące się ukierunkowaną ewolucją białek.

George P. Smith urodził się w 1941 r. w amerykańskim Norwalk. W 1970 r. otrzymał doktorat na Uniwersytecie Harvarda (USA). Przez większość kariery związany był jednak z University of Missouri, gdzie przez 40 lat pracował w Division of Biological Sciences.

Sir Gregory "Greg" P. Winter przyszedł na świat w 1951 r. w brytyjskim Leicester. Cała jego kariera naukowa związana jest z Uniwersytetem w Cambridge, w którym obronił doktorat. W 2004 za zasługi w zakresie biologii molekularnej otrzymał od angielskiej królowej tytuł szlachecki. Aktualnie Winter pracuje w działającym przy Uniwersytecie w Cambridge MRC Laboratory of Molecular Biology. Otrzymana przed niego w tym roku nagroda jest już 12. Nagrodą Nobla, która trafiła do pracownika tego laboratorium.

"Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie chemii zostali zainspirowani siłą ewolucji i wykorzystali te same zasady - zmiany genetyczne i selekcję - do opracowania białek, które rozwiązują problemy chemiczne ludzkości" - argumentowali przedstawiciele Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk.

Cała złożoność i różnorodność życia – w tym także pojawienie się człowieka – zawdzięczana jest mechanizmom ewolucji, dzięki którym żywe organizmy stają się coraz bardziej złożone, wyrafinowane i przystosowują się do zmiennych warunków środowiska. Ewolucja musiała rozwiązać niezliczone problemy, produkując białka o odpowiednich właściwościach.

Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla wykorzystali te mechanizmy dla dobra ludzkości. "Kierowana ewolucja" pozwoliła stworzyć enzymy wykorzystywane w produkcji biopaliw czy leków. Z kolei przeciwciała uzyskane dzięki metodzie fagowej ekspresji peptydów ("phage display") znalazły zastosowanie w leczeniu chorób autoimmunologicznych oraz zaawansowanych nowotworów.

Amerykanka Frances H. Arnold w roku 1993 po raz pierwszy dokonała kierowanej ewolucji enzymów – białek, które katalizują (przyspieszają) reakcje chemiczne. Podczas gdy klasyczne metody chemiczne wykorzystywane w produkcji leków czy tworzyw sztucznych często wymagają zastosowania toksycznych chemikaliów (m.in. metali ciężkich), wysokich ciśnień i temperatur - enzymy pozwalają przeprowadzać reakcje w sposób bardziej skuteczny i przyjazny dla środowiska.

Początkowo naukowcy próbowali świadomie nadawać enzymom nowe właściwości. Jednak uniemożliwiła to ich niezwykle złożona budowa.

Nawet przy całej współczesnej wiedzy i ogromnej mocy dzisiejszych superkomputerów bardzo trudno zaplanować nadanie enzymowi nowych właściwości. W latach 90. było to praktycznie niemożliwe. Dlatego Frances Arnold poszła sprawdzoną w ciągu miliardów lat drogą ewolucji.

Pierwszym enzymem, jaki próbowała zmodyfikować, była subtylizyna, bakteryjny enzym używany (oprócz badań naukowych) w kosmetycznych preparatach zmiękczających skórę, środkach piorących, płynach do zmywania, przemyśle spożywczym czy płynach do czyszczenia soczewek kontaktowych.

Subtylizyna działa w środowisku wodnym. Badaczka chciała, by enzymu można było używać także w rozpuszczalniku organicznym - dimetyloformamidzie (DMF). Aby to osiągnąć, doprowadziła do licznych mutacji w genie kodującym enzym. Zmutowane geny wprowadzono do bakterii, uzyskując tysiące odmian enzymu. Wystarczyło "tylko" wyselekcjonować warianty najlepiej działające w środowisku rozpuszczalnika organicznego.

Wybrany wariant poddany został dalszym mutacjom, dzięki czemu pojawił się enzym jeszcze skuteczniejszy. Trzecia "generacja" działała w środowisku DMF 256 razy lepiej niż oryginalny enzym i różniła się od niego w sumie 10 mutacjami. Przewidzenie korzystnych skutków aż tak złożonych zmian byłoby niemożliwe.

Z czasem stworzone przez amerykańską badaczkę metody zostały udoskonalone. Dziś rutynowo stosuje się je do tworzenia nowych enzymów. Można np. z cukrów prostych uzyskiwać izobutanol, nadający się na paliwo dla samochodów i samolotów.

Kolejny ważny krok zrobił Willem P.C. Stemmer, zmarły w roku 2013 holenderski badacz i przedsiębiorca. Zastosował rekombinację - metodę pozwalającą naśladować w probówce rozmnażanie płciowe, które prowadzi do powstawania nowych kombinacji genów, eliminuje geny nieprzydatne i promuje te o korzystnych właściwościach. W roku 1994 "pociął" geny na małe fragmenty, po czym za pomocą narzędzi typowych dla technologii DNA ułożył z nich nowe wersje genów będące mozaiką pierwowzorów. Zmodyfikowany tą metodą enzym okazał się znacznie skuteczniejszy w działaniu od oryginału.

Tymczasem w roku 1985 Amerykanin George P. Smith opracował metodę "phage display", która polega na wykorzystaniu bakteriofaga - wirusa zakażającego bakterie – do wytwarzania nowych białek.

Bakteriofag ma prostą budowę – w zasadzie jest to fragment DNA opakowany w białko. Aby się rozmnożyć, wstrzykuje bakterii własny materiał genetyczny, przejmując nad nią kontrolę. Opanowana przez bakteriofaga bakteria wytwarza jego kopie - zarówno DNA, jak i białka. George P. Smith postanowił wykorzystać bakteriofagi do znajdowania nieznanego genu odpowiedzialnego za wytwarzanie znanego białka.

Fragmenty niezidentyfikowanych genów łączono z genami kodującymi białko tworzące białkową otoczkę wirusa. W rezultacie bakterie wytwarzały zarówno białko wirusowe, jak i białko odpowiadające badanemu genowi, a bakteriofag miał to białko na swojej powierzchni. Z mieszaniny fagów prezentujących różne białka można było "wyłowić" poszczególne z nich za pomocą specyficznych przeciwciał. Dzięki temu można było połączyć konkretne białko z konkretnym genem.

Jego prace bardzo praktycznie wykorzystał Brytyjczyk Sir Gregory P. Winter - uzyskał ludzkie przeciwciała mające zastosowanie jako leki. Pierwszy był adalimumab - neutralizujący związane z zapaleniami białko TNF–alfa. Jako lek na reumatoidalne zapalenie stawów, łuszczycę oraz choroby zapalne jelit został zatwierdzony do użytku w roku 2002. Później pojawiły się przeciwciała neutralizujące toksyny, przeciwdziałające chorobom autoimmunologicznym, a nawet leczące zaawansowane nowotwory z przerzutami.

Naukowcy uważają, że korzystając z kierowanej ewolucji można będzie osiągnąć znacznie więcej – na przykład uzyskać leki na chorobę Alzheimera.

Chemia jest trzecią kategorią, za którą nagradzano w tym roku. Wcześniej przyznano wyróżnienia w dziedzinie medycyny oraz fizyki.

Autor: ft,mm//rzw / Źródło: PAP