(Р)еволюція: За що дали Нобелівську премію з хімії у 2018 році

Нобелівські лауреати цього року змогли приборкати еволюцію і спроектувати речовини, що здійснили революцію в хімії

(Р)еволюція: За що дали Нобелівську премію з хімії у 2018 році
Френсіс Арнольд, Джордж Сміт і Грегорі Вінтер 112.ua

Нобелівські лауреати цього року змогли приборкати еволюцію і спроектувати речовини, що здійснили революцію в хімії

Шведська королівська академія наук назвала імена останніх цього року лауреатів наукової Нобелівської премії. У галузі хімії половину нагороди забрала американка Френсіс Арнольд, яка стояла біля витоків методу, що отримав назву спрямована еволюція. Другу половину розділили між собою її співвітчизник Джордж Сміт і британець Грегорі Вінтер, котрі створили і розвинули технологію фагового дисплею. Що це таке і яку користь людство вже винесло з їхніх відкриттів, розповідаємо словами Нобелівського комітету.

Сила еволюції проявляється через різноманітність форм життя. Нобелівська премія з хімії за 2018 рік присуджена Френсіс Арнольд, Джорджу Сміту і серу Грегорі Вінтеру за те, що вони змогли взяти під контроль еволюцію і використовувати її для найбільшої вигоди людства. Ензими, створені з допомогою направленої еволюції, тепер використовуються, крім іншого, для виробництва біопалива та фармацевтичних препаратів. А антитіла, отримані з використанням методу, званого фаговим дисплеєм, можуть боротися з аутоімунними захворюваннями і в деяких випадках виліковувати метастатичний рак.

Ми живемо на планеті, де править могутня сила – еволюція. З тих пір, як перше насіння життя з'явилося близько 3,7 мільярда років тому, чи не кожна шпарина у поверхні Землі була населена організмами, пристосованими до свого навколишнього середовища: лишайники, які можуть жити на голих схилах, археї, які процвітають у гарячих джерелах, лускаті рептилії, еволюційно спроектовані спеціально для посушливих пустель, і медузи, які світяться в темряві глибоких океанів.

Шкільний курс біології розповідає нам про ці організми. Але давайте змінимо свою точку зору і поглянемо на них очима хіміка. Життя на Землі існує тому, що еволюції протягом всієї історії доводилося вирішувати безліч складних хімічних проблем. Всі організми навчилися отримувати матеріали та енергію зі своєї власної екологічної ніші і використовувати їх для будівництва унікального хімічно створення, якими вони і є. Риба може плавати в полярних океанах завдяки антифрізним білкам у своїй крові, а мідії можуть прилипати до каменя, тому що вони розробили підводний молекулярний клей, і це лише дещиця з незліченної кількості подібних прикладів.

Пишність хімії життя полягає в тому, що вона запрограмована у наших генах, які можуть успадковуватися і розвиватися. Невеликі випадкові зміни в генах призводять до змін цієї хімії. Інколи вони дають більш слабкий організм, іноді більш стійкий, який внаслідок і виживає, передаючи свою поліпшену ознаку далі. Так, нова хімія поступово розвивається, і життя на Землі стає все більш складним.

Цей процес дійшов до того, що породив трьох людей, які були досить складно влаштовані, щоб придумати, як оволодіти еволюцією і направити її у вигідне русло. Нобелівські лауреати в галузі хімії за 2018 рік зробили революцію одночасно в науці та в індустрії, навчивши весь світ створювати, наприклад, нові види фармацевтичних препаратів через спрямовану еволюцію.

Ензими – точний інструмент самого життя

Вже у 1979 році, щойно отримавши диплом інженера-механіка і аерокосмічного інженера, майбутня зірка науки Френсіс Арнольд чітко розуміла: людство зможе отримувати для себе користь, тільки розвиваючи нові технології. На той час уряд США вирішив до 2000 року перевести 20% виробництва енергії у країні, на поновлювані джерела. Арнольд взялася за сонячну енергетику. Однак перспективи майбутнього цієї галузі радикально змінилися після президентських виборів 1981 року, коли до влади прийшов Рональд Рейган, який зробив ставку на нафту. Тоді підприємлива дослідниця звернула свою увагу на нову ДНК-технологію. Її метою було ні багато, ні мало – переписати код життя, щоб добитися створення нових матеріалів і хімічних речовин.

Замість того, щоб виробляти фармацевтичні препарати, пластик та інші хімічні речовини з використанням традиційної хімії, для якої часто потрібні сильні розчинники, важкі метали і агресивні кислоти, Арнольд задумала використовувати в хімічній промисловості хімічні інструменти, які використовує сама життя – ензими (вони ж ферменти). Вони каталізують хімічні реакції, що відбуваються в організмах. Залишилося лише навчитися створювати нові види ензимів, і хімія зміниться назавжди.

Межі людської думки

Спочатку, як і багато інших дослідників в кінці 1980-х років, Френсіс Арнольд спробувала використовувати раціональний підхід до конструювання ензимів, щоб надати їм нових властивостей. Але ензими – це дуже складні молекули. Вони складаються з 20 різних форм будівельних блоків – амінокислот, які можуть створювати нескінченну кількість комбінацій. Один-єдиний ензим може складатися з декількох тисяч амінокислот. Вони пов'язані одна з одною довгими ланцюгами, котрі формуються у спеціальні тривимірні структури. Середовище, необхідне для каталізу конкретної хімічної реакції, створюється всередині цих структур.

Використовувати логіку, щоб придумати, як перебудувати природну архітектуру молекули для надання ензимам нових властивостей, неймовірно складно. І це навіть з урахуванням сучасного рівня знань і обчислювальної потужності комп'ютерів. На початку 1990-х рр. Арнольд вирішила визнати вищість природи і замість цього взялася за інший природний інструмент для удосконалення хімії – еволюцію.

Арнольд вступає в гру з еволюцією

Протягом кількох років вчена намагалася змінити ензим під назвою субтилізин, щоб замість каталізування реакцій у водному розчині, він почав працювати в органічному розчиннику діметилформаміді. І, коли вона створила випадкові зміни – мутації – в генетичному коді цього ензиму, Арнольд ввела мутовані гени у бактерії, а ті відтак виробили тисячі різних варіантів субтилізина.

Тепер завдання полягало в тому, щоб визначити, який з отриманих варіантів найкраще діє в органічному розчиннику. В еволюції ми говоримо про виживання найбільш пристосованих; в направленій еволюції цей етап називається селекцією.

Френсіс Арнольд використовувала той факт, що субитилізин має властивість руйнувати молочний білок казеїн. Вона вибрала той варіант ензиму, який справлявся з цим завданням краще всього у 35% розчині диметилформаміду. А потім повторила всю процедуру від мутації до селекції з початку, щоб отримати ще ефективніший у такому середовищі ензим.

У третьому поколінні Арнольд вдалося отримати субтилізин, який виконував поставлене завдання у визначених нею умовах у 256 разів краще, ніж вихідна версія ензиму. Цей варіант мав комбінацію з десяти різних мутацій, в яких ніхто не зміг би розібратися, підійшовши до проблеми зі звичними науковими методами. При цьому дослідниця продемонструвала, якою ефективною може бути робота зі штучного спрямування еволюції (в цьому разі ензимів) у порівнянні з голою людської раціональністю. І це був перший і рішучий крок до наукової революції, свідками якої ми є.

Наступний важливий крок зробив Віллем Стеммер – голландський дослідник і підприємець. Він винайшов ще один спосіб направляти еволюцію ензимів – парування у пробірці. На жаль, Стеммер не дожив до дня, коли його дітище отримало визнання Нобелівського комітету. Він помер у 2013 році і втратив право на отримання Нобелівської премії, яка не присуджується посмертно.

Парування для більш стабільної еволюції

Однією з передумов природної еволюції є те, що гени різних особин змішуються, наприклад, через парування або запилення. Потім корисні властивості батьків можуть скомбінуватися і дати в новому поколінні більш стійкий організм. Менш функціональні мутації таким же чином відкидаються і зникають.

Стеммер використовував пробірку для спаровування: шаффлінга ДНК. У 1994 році він показав, що можна розділяти різні версії гена на дрібні шматочки, а потім за допомогою інструментів ДНК-технології, збирати фрагменти пазла у цілий ген, який є мозаїкою з оригінальних версій. Після декількох раундів шаффлінга ДНК вчений отримував набагато більш ефективний ензим, ніж його вихідний пращур. Це продемонструвало, що спаровування генів (у науці тепер відоме як рекомбінація) може призводити до ще більш ефективної еволюції ензимів.

Нові ензими виробляють екологічно безпечне паливо

Інструменти ДНК-технології були удосконалені з початку 1990-х рр., а методів, які використовуються у спрямованій еволюції, стало набагато більше. Френсіс Арнольд залишається піонером цього прориву. Ензими, які виробляються в її лабораторії, можуть каталізувати хімічні реакції, які не існують у природі, щоб виробляти абсолютно нові матеріали. Створені нею речовини стали важливими інструментами у виробництві новітніх фармпрепаратів. Вони допомагають прискорювати хімічні реакції, зменшують кількість побічних продуктів і в деяких випадках дозволяють виключити важкі метали, необхідні у традиційній хімії, що значно знижує вплив на навколишнє середовище.

Історія Френсіс Арнольд до цього моменту зробила повний оберт – зараз вона знову працює над виробництвом відновлюваних джерел енергії. Її дослідницька група створила ензими, які перетворюють прості цукри на ізобутанол – збагачену енергією речовину, яка може бути використана як для виробництва біопалива, так і екологічно чистого пластику. Однією із довгострокових цілей групи Арнольд є виробництво екологічно безпечного палива для транспорту. Альтернативні його види, вироблені за допомогою створених нею білків, можуть використовуватися в автомобілях і літаках. Таким чином, відкриття науковиці роблять світ більш екологічним.

А тепер перейдемо до другої половині сьогоднішньої Нобелівської премії. Коли спрямована еволюція стала доступна людству, її стали використовувати для створення фармпрепаратів, здатних нейтралізувати токсини, боротися з прогресуючими аутоімунними захворюваннями і, в окремих випадках, навіть лікувати метастатичний рак. У цьому допомагає крихітний вірус, який заражає бактерії, і метод, відомий як фаговий дисплей.

Сміт використовує бактеріофагів

Як це часто трапляється, наука пішла непередбачуваним шляхом. У першій половині 1980-х років, коли Джордж Сміт почав використовувати бактеріофаги – віруси, що заражають бактерії, – він в першу чергу сподівався, що зможе з їхньою допомогою клонувати гени. ДНК-технологія тоді була ще дуже молода, а людський геном залишався незвіданою територією. Дослідники знали, що він містить всі гени, необхідні для виробництва білків організму, але визначати, який з генів кодує який з білків, було складніше, ніж шукати голку в копиці сіна.

Використовуючи існуючі в генетиці інструменти вже можна було поміщати певні гени в бактерії, які, при певній частці везіння, починали масово виробляти білок для досліджень. Цей процес і отримав назву клонування генів, а ідея Джорджа Сміта полягала в тому, щоб витончено використовувати ще і бактеріофагів.

Бактеріофаг – сполучна ланка між білком і його невідомим геном

Бактеріофаги за своєю природою дуже прості. Вони складаються з невеликого фрагмента генетичного матеріалу, який інкапсульований у захисну білкову оболонку. Коли вони відтворюються, то вводять свій генетичний матеріал бактеріям і зламують їхній метаболізм. Бактерії починають виробляти нові копії генетичного матеріалу свого "хакера", а також білки, які утворюють капсулу, щоб зміг вийти новий бактеріофаг.

Ідея Джорджа Сміта полягала в тому, щоб використовувати просту конструкцію бактеріофагів, щоб виявити невідомий ген, що кодує відомий білок. В той час вже були доступні великі молекулярні бібліотеки, в яких зберігалися маси фрагментів різних невідомих генів. Сміт придумав об'єднувати ці фрагменти з вивченим геном одного з білків у капсулі бактеріофага. При отриманні наступного їх покоління білки невідомого гена опинялися на поверхні бактеріофага як частина білка капсули.

Антитіла можуть вивуджувати правильні білки

Цей метод призводив до того, що новий бактеріофаг ніс на своїй поверхні кілька різних білків. На наступному етапі роботи, стверджував Джордж Сміт, дослідники повинні були використовувати антитіла, щоб вивуджувати з цього супу ті особини, які несуть на собі відомі білки. Антитіла – це теж білки, їхня унікальна здатність полягає в тому, що вони, як прицільні ракети, з граничною точністю визначають якийсь конкретний білок з десятків тисяч інших і зв'язуються з ним. Таким чином, виловивши на антитіло бактеріофагів з відомим білком від вживлених в них генів, вони б автоматично отримували ще й шуканий білок від невивченого гена, підсаженого разом з ним.

Це була дуже хороша ідея, і у 1985 році Джордж Сміт продемонстрував, що вона може спрацювати. Він створив бактеріофага, який ніс на своїй поверхні частину білка пептиду. І він ловився на антитіло.

Завдяки своєму експерименту Сміт заклав основу того, що називається фаговим дисплеєм. Це блискучий в своїй простоті метод. Його сила полягає в тому, що бактеріофаг функціонує як зв'язок між білком і його геном. У 1990 році кілька дослідницьких груп почали використовувати фаговий дисплей для розробки нових біомолекул. Одним з тих, хто взяв цю техніку на озброєння, став Грегорі (Грег) Вінтер, і завдяки його дослідженням, фаговий дисплей тепер приносить людству чимало користі. Щоб зрозуміти, чому, нам потрібно більш уважно вивчити антитіла.

Антитіла можуть блокувати процес хвороби

Лімфатична система людини має клітини, які можуть продукувати сотні тисяч різних видів антитіл. Відомо, що ці клітини, котрих в організмі багато видів, не приєднуються до жодних інших молекул організму – тільки до цільових. Величезна варіативність антитіл у багатьох випадках гарантує, що серед них знайдеться необхідне, яке прикріпится до вірусу чи бактерії, які заражають нас хворобами. Коли антитіло приєднується до такої зайди, воно посилає сигнал агресивним імунним клітинам, які знищують його.

Оскільки антитіла є вкрай обережними і приєднуються лише до однієї молекулі серед десятків тисяч інших, дослідники давно сподівалися, що можна буде розробити антитіла, які блокують певні хворобливі процеси в організмі і функціонують подібно до фармацевтичних препаратів. Спочатку для отримання цих лікувальних антитіл мишам вводили різні молекули-мішені для фармацевтичних препаратів, такі як білки з ракових клітин. Проте у 1980-х роках стало зрозуміло, що цей метод має обмеження: деякі речовини токсичні для мишей, а інші не приводили до утворення антитіл. Крім того, було виявлено, що імунна система пацієнтів розпізнавала одержані антитіла, як чужорідні, і атакувала їх. Це призводило до руйнування мишачих антитіл і ризику розвитку у пацієнтів побічних ефектів.

Саме ця складність і спонукала Грега Вінтера почати досліджувати потенціал фагового дисплею Джорджа Сміта. Він хотів виключити мишей з ланцюга виробництва фармпрепаратів та розробляти їх на основі людських антитіл, оскільки їх наша імунна система приймає добре.

Вінтер поміщає антитіла на поверхню бактеріофагів

Антитіла являють собою Y-подібні молекули, у них є наче дві руки, кінець кожної з них приєднується до чужорідних субстанцій. Вінтер приєднав генетичну інформацію про цій частини антитіла до генів для одного з білків капсули бактеріофага. У 1990 році вчений показав, що це призводить до того, що антитіло приєднується до його поверхні. Антитіло, яке використовував дослідник було створено для того, щоб ловити маленьку молекулу відому, як phOx. Коли Грег Вінтер використовував phOx як своєрідний молекулярний гачок, йому вдалося витягнути бактеріофаг з антитілом на його поверхні з "супу", в якому плавало чотири мільйони інших бактеоріофагів.

Після цього Грег Вінтер показав, що він може використовувати фаговий дисплей у спрямованій еволюції антитіл. Він створив бібліотеку бактеріофагів з мільярдами різновидів антитіл на їхніх поверхнях. З цієї бібліотеки він виділяв антитіла, які прикріплялися до різних білків-мішеней. Потім він випадковим чином змінив це перше покоління антитіл і створив нову бібліотеку, в якій він виявив антитіла з ще більш сильними прикріпленнями до цілі. Наприклад, у 1994 році він використовував цей метод для розробки антитіл, які кріпилися до ракових клітин з високим рівнем специфічності.

Перші у світі ліки на основі людських антитіл

Грег Вінтер з колегами заснував компанію, яка працює з фаговим дисплеєм антитіл. У 1990-ті рр. вона розробила фармацевтичний препарат, повністю заснований на людських антитілах – адалімумаб. Антитіло в його складі нейтралізує білок TNF-alpha (фактор некрозу пухлини), який призводить до запалення при багатьох аутоімунних захворюваннях. У 2002 році цей препарат був схвалений для лікування ревматоїдного артриту, а зараз використовується і у терапії різних видів псоріазу та запальних захворювань кишечника.

Успіх адалімумаба стимулював значний розвиток у фармацевтичній промисловості, і фаговий дисплей стали використовувати, наприклад, для виробництва онкологічних антитіл. Один їх вид, приміром, звільняє у тілі клітини-вбивці, які можуть атакувати пухлину. Зростання новоутворення сповільнюється і, в окремих випадках, пацієнти з метастатичним раком виліковуються – це історичний прорив в лікуванні раку. Інше схвалене антитіло нейтралізує бактеріальний токсин, який викликає сибірську виразку, а ще одне уповільнює аутоімунне захворювання, відоме як вовчак; багато інших антитіл наразі проходять клінічні випробування, наприклад, для боротьби з хворобою Альцгеймера.

Зоря нової ери в хімії

Методи, розроблені лауреатами Нобелівської премії 2018 року з хімії, зараз розробляються на міжнародному рівні для розвитку більш екологічно чистої хімічної промисловості, виробництва нових матеріалів, безпечних біопалив, полегшення хвороб і порятунку життів. Спрямована еволюція ензимів і фаговий дисплей антитіл дозволили Френсіс Арнольд, Джорджу Сміту і Грегу Вінтеру принести людству найбільше благо і закласти основу для революції в хімії.

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Загрузка...

Віджет партнерів