Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2018

• Strona główna
• Artykuły
• Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2018

2019-02-28  / Autor: Anna Jarosik

Pierwszą nagrodzoną jest Frances H. Arnold z California Institute of Technology, tj. Kalifornijskiego Instytutu Technicznego, czyli jednej z najlepszych prywatnych uczelni w Stanach Zjednoczonych. Otrzymała ona połowę nagrody za ukierunkowaną ewolucję enzymów. Druga połowa Nagrody Nobla została podzielona pomiędzy Georga Smitha z University of Missouri z siedzibą w Columbii w stanie Missouri w Stanach Zjednoczonych oraz Sir Gregory’ego Wintera z MRC Laboratory of Molecular Biology z siedzibą w Cambridge, w Wielkiej Brytanii. Ta dwójka nagrodę uzyskała za prezentację fagową peptydów i przeciwciał. Okazuje się, że wspólnymi siłami dokonali oni rewolucji zarówno w chemii, jak i w opracowaniu nowych farmaceutyków, wykorzystując w tym celu ukierunkowaną ewolucję.

Laureaci ostatniej edycji Nagrody Nobla w dziedzinie chemii wykorzystali w swoich badaniach specyfikę i siłę ewolucji. Zainspirowani nią, zaproponowali metody bazujące na podobnej, aczkolwiek udoskonalonej zasadzie, a dokładniej, wykorzystali sterowane przez człowieka mechanizmy ewolucji, tj. zmianę genetyczną i selekcję. W ten sposób metody sprawdzają się przy opracowywaniu białek, które są odpowiednie w zastosowaniach laboratoryjnych i przemysłowych, a także służą ochronie środowiska.

Okazuje się bowiem, że enzymy produkowane poprzez ukierunkowaną ewolucję są wykorzystywane do produkcji bardzo szerokiego asortymentu: od biopaliw po farmaceutyki. Natomiast przeciwciała wyewoluowane za pomocą metody zwanej prezentacją fagową mogą zwalczać choroby autoimmunologiczne, a w niektórych przypadkach nawet leczyć raka przerzutowego.

Enzymy – najostrzejsze chemiczne narzędzia życia

Frances Arnold od początku swojej drogi naukowej miała jasną wizję tego, co chce osiągnąć. Początkowo w swojej pracy skupiła się na źródłach odnawialnych pochodzących z energii słonecznej, aby następnie skierować uwagę na nową technologię DNA. Była świadoma, że zupełnie nowy sposób wytwarzania materiałów i substancji chemicznych potrzebnych w codziennym życiu, będzie możliwy do uzyskania dzięki nowym perspektywom, które dawała ta technologia. Z tego względu zamiast produkować farmaceutyki, tworzywa sztuczne i inne chemikalia, stosując w tym celu tradycyjne metody chemiczne, często wymagające silnych rozpuszczalników, metali ciężkich i żrących kwasów, zaczęła wykorzystywać enzymy, tj. złożone białka.

Enzymy katalizują reakcje chemiczne zachodzące w organizmach żywych. Ucząc się projektować nowe enzymy, nadając im nowe właściwości, można zasadniczo zmienić chemię. Wcześniej jednak okazało się, że enzymy są niezwykle złożonymi cząsteczkami. Są zbudowane z 20 różnych rodzajów aminokwasów, które mogą być łączone praktycznie w nieskończoność. Pojedynczy enzym może składać się z kilku tysięcy aminokwasów, które są połączone razem w długie łańcuchy, składające się w specjalne, trójwymiarowe struktury. Natomiast środowisko niezbędne do katalizowania konkretnej reakcji chemicznej powstaje wewnątrz tych struktur. Z tego względu Arnold zaczęła poszukiwać inspiracji w naturalnych procesach i w ewolucji. Przez kilka lat próbowała zmienić enzym zwany subtylizyną (bioaktywny enzym typu proteazy). Wprowadzała losowe zmiany – mutacje – w kodzie genetycznym enzymu, a następnie wprowadzała te zmutowane geny do bakterii. Później sprawdzała, jak działają różne warianty enzymu. Wytworzonych zostało tysiące różnych wariantów subtylizyny. Kolejno weryfikowała, który najlepiej sprawdza się w rozpuszczalniku organicznym.

Badaczka wykorzystała fakt, że subtylizyna rozkłada główne białko mleka – kazeinę. Następnie wybrała wariant subtylizyny, który był najbardziej skuteczny w rozkładaniu tego białka, aby ponownie rozpocząć nową serię przypadkowych mutacji. Już w trzeciej generacji subtylizyny znalazła wariant, który pracował 256 razy skuteczniej niż oryginalny enzym. Ten wariant enzymu zawierał kombinację dziesięciu różnych mutacji, których nikt nie był w stanie tak dokładnie, jak ona zaprojektować.

O jej sukcesie naukowym przesądził wybór przypadku i ukierunkowanej selekcji. To był pierwszy i najbardziej decydujący krok w kierunku nagrodzonej Nagrodą Nobla rewolucji.

Kolejny ważny krok zrobił Willem Stemmer, holenderski badacz i przedsiębiorca. Wprowadził on inny wymiar ukierunkowanej ewolucji enzymów, tj. krycia w probówce. Jak wiadomo, warunkiem naturalnej ewolucji jest to, że geny różnych osobników miesza się, przykładowo przez parzenie się lub zapylanie. Korzystne właściwości można następnie łączyć i wytwarzać bardziej odporny organizm. Stemmer w 1994 r. udowodnił, że możliwe jest tzw. cięcie różnych wersji genu na małe kawałki. Następnie zaś, wspomagając się narzędziami technologii DNA, układał te kawałki w kompletny gen, będący swego rodzaju mozaiką oryginalnych kawałków genu.

Używając kilku cykli tasowania DNA, Willem Stemmer zmienił enzym tak, że stał się on o wiele bardziej skuteczny niż oryginalny enzym. To pokazało, że geny łączące się razem mogą skutkować jeszcze bardziej wydajnymi zmianami ewolucyjnymi enzymów.

Narzędzia technologii DNA są udoskonalane od wczesnych lat 90. XX wieku. Od tego czasu również metody stosowane, jeśli chodzi o ukierunkowaną ewolucję, uległy zwielokrotnieniu. Frances Arnold była pionierką tych zmian. Enzymy wytwarzane obecnie w jej laboratorium mogą katalizować substancje chemiczne, które nie istnieją nawet w przyrodzie. To umożliwia produkcję całkowicie nowych materiałów. Jej enzymy stały się również ważnymi narzędziami do produkcji farmaceutyków. Dodatkowo okazuje się, że enzymy te, wykorzystywane w reakcjach chemicznych, wpływają na produkcję mniejszej ilości produktów ubocznych, a w niektórych przypadkach umożliwiają nawet wykluczenie metali ciężkich wymaganych przez tradycyjną chemię. To znacząco redukuje negatywny wpływ na środowisko naturalne.

Obecnie Frances Arnold ponownie pracuje nad produkcją energii odnawialnej. Jej grupa badawcza opracowała enzymy, które przekształcają proste cukry w izobutanol, tj. substancję bogatą w energię, którą można wykorzystać do produkcji zarówno biopaliw, jak i bardziej ekologicznych tworzyw sztucznych. Jednym z długoterminowych celów jest produkcja paliw dla bardziej przyjaznego dla środowiska sektora transportu. Paliwa alternatywne – produkowane przez białka Arnold – mogą być stosowane w samochodach i samolotach. W ten sposób jej enzymy przyczyniają się do bardziej ekologicznego podejścia.

Bakteriofagi

W 1985 r. George Smith opracował metodę znaną jako prezentacja fagowa, w której bakteriofag (tj. prosty wirus składający się z otoczki białkowej chroniącej zamknięte wewnątrz DNA, a infekujący bakterie), może zostać użyty do opracowania nowych białek. Bakteriofagi atakują bakterie, wstrzykując do środka DNA i przejmując kontrolę nad metabolizmem komórki. Natomiast zakażona bakteria zaczyna produkować kopie wirusa, a co za tym idzie nowe kopie materiału genetycznego faga i białka tworzące kapsułę. Początkowo bakteriofagi zastosowano z nadzieją, że można je wykorzystać do klonowania genów.

Należy mieć na uwadze, że w tamtym czasie technologia DNA była jeszcze stosunkowo młodą dziedziną. Wprawdzie naukowcy wiedzieli, że ludzki genom zawiera wszystkie geny wymagane do produkcji białek w organizmie, to jednak zidentyfikowanie konkretnego genu dla określonego białka było bardzo trudne. Dlatego prosta konstrukcja fagów miała pomóc w znalezieniu nieznanego genu dla znanego białka. W tym czasie dostępne były duże biblioteki molekularne, zawierające fragmenty różnych nieznanych genów.

Generalnie jednak pomysł polegał na tym, aby nieznane fragmenty genów połączyć z genem jednego z białek w kapsule faga. Gdy wytworzono nowe fagi, białka z nieznanego genu trafiłyby na powierzchnię faga, jako część białka w kapsule. Efektem miała być mieszanina fagów, które niosłyby na swoich powierzchniach mnóstwo różnych białek.

Przeciwciała to białka działające jak pociski celowane. Z niezwykłą precyzją potrafią identyfikować i wiązać się z konkretnym białkiem spośród dziesiątek tysięcy innych.

Gdyby z pomocą przeciwciał zidentyfikowano takie białko, przykładowo wiedząc z jakim białkiem wiąże się dane przeciwciało, wówczas można zidentyfikować dotychczas nieznany gen białka. Dzięki temu eksperymentowi George Smith położył podwaliny tego, co obecnie znane jest jako prezentacja fagowa. Metoda jest genialna w swej prostocie. Jej siła polega na tym, że fag działa jako połączenie między białkiem a jego genem. W 1990 r. kilka grup badawczych zaczęło używać wyświetlacza fagowego do opracowania nowych biomolekuł.

Jedną z osób, które przyjęły tę technikę był Gregory Winter. Podstawą prowadzonych przez niego badań był ludzki układ limfatyczny, który posiada komórki mogące produkować setki tysięcy różnych rodzajów przeciwciał. Dzięki dobrze opracowanemu systemowi wszystkie te komórki zostały przetestowane w taki sposób, że żadne przeciwciało nie wiąże się z żadnym z różnych typów cząsteczek organizmu. Jednak ta ogromna wariacja gwarantuje, że zawsze istnieje przeciwciało, które wiąże się z wirusami lub bakteriami, które nas zakażają.

Kiedy antyciało przywiązuje się do nich, wysyła sygnał do agresywnych komórek odpornościowych, aby zniszczyć organizmy infekujące. Ponieważ przeciwciała są wysoce selektywne i mogą przyłączać się do pojedynczej cząsteczki, spośród dziesiątek tysięcy innych, to naukowcy od dawna mają nadzieję, że możliwe będzie zaprojektowanie przeciwciał, które blokują różne procesy chorobowe w ciele i funkcjonują jak leki.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 1/2019 DWUMIESIĘCZNIKA "CHEMIA I BIZNES". ZAPRASZAMY.

badania i rozwójenzymyNagroda Noblanagrody