Znamy już laureatów tegorocznej nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Połowę nagrody otrzymuje Amerykanka Frances H. Arnold za badania nad ukierunkowaną ewolucją enzymów. Druga połowa nagrody trafia do Amerykanina George’a P. Smitha i Brytyjczyka Gregoryego P. Wintera za wykorzystanie bakteriofagów, wirusów atakujących bakterie, do wytwarzania nowych białek i przeciwciał. Jak podkreśla Królewska Szwedzka Akademia Nauk wyróżnione odkrycia polegały na wykorzystaniu mechanizmów ewolucji do stworzenia nowych enzymów, czy przeciwciał, które mogą posłużyć na przykład do wytwarzania nowych biopaliw, detergentów, czy leków, między innymi przeciwko chorobom autoimmunologicznym, czy nowotworowym. Frances H. Arnold to zaledwie piąta kobieta wyróżniona Noblem z Chemii, pierwsza była Maria Skłodowska-Curie w 1911 roku, druga jej córka Irene Joliot-Curie w roku 1935.

Jak pisze w swym uzasadnieniu Akademia Szwedzka, 3,7 miliarda lat istnienia życia na Ziemi pokazało, że ewolucja jest w stanie rozwiązać niezliczone problemy, a jej narzędzia, białka, mogą być zmieniane, optymalizowane, odnawiane tak, by tworzyć niezwykłą różnorodność. Laureaci tegorocznej nagrody, zdali sobie sprawę, że wykorzystując reguły ewolucji, zmiany genetyczne i selekcję naturalną, są w stanie wytworzyć zupełnie nowe białka, które mogą rozwiązać cały szereg problemów, choćby przemysłowych, czy medycznych.

Mechanizmy rządzące życiowymi procesami chemicznymi są zapisane w genach i przekazywane z pokolenia na pokolenie. Drobne mutacje tych genów mogą prowadzić do mniej lub bardziej udanych zmian. Jedne mutacje prowadzą do pojawienia się słabszych organizmów, inne mocniejszych, część z nich zanika, część rozwija się nadal. Życie staje się coraz bardziej różnorodne. Naukowcy od dziesięcioleci starali się podpatrzeć te mechanizmy ewolucji i tworzyć nowe białka. Laureaci tegorocznej nagrody Nobla z chemii zdołali to praktycznie zrobić.

W przypadku Frances H. Arnold kluczowe znaczenie dla jej sukcesu miał ekologiczny sposób myślenia. Zdawała sobie sprawę, że tradycyjne chemia pozwala wytwarzać leki, czy tworzywa sztuczne z wykorzystaniem silnych rozpuszczalników, metali ciężkich, czy kwasów, zastanawiała się, jak można to zmienić i wykorzystać narzędzia, którymi posługuje się natura, czyli enzymy. Stworzenie nowych enzymów w oparciu o znane w latach 80-tych ubiegłego wieku metody laboratoryjne okazało się jednak zbyt trudne.

Laureatka Nagrody Nobla w dziedzinie chemii – Frances H. Arnold /CALTECH / HANDOUT /PAP/EPA

Przełomem okazał się pomysł by i tu podpatrzeć naturę, do genu kodującego znany enzym wprowadzić przypadkowe mutacje i poczekać, aż bakteria wyprodukuje jego zmodyfikowaną wersję. W zależności od konkretnych mutacji nowe enzymy mogły się sprawdzać lub nie, pozostało tylko dokonać selekcji i wybrać warianty, które naprawdę mogą się przydać. W 1993 roku Arnold przeprowadziła pierwsze doświadczenia z tak zwaną ukierunkowaną ewolucją enzymów. Z czasem metoda została udoskonalona i upowszechniła się tak, że dzięki stworzonym w ten sposób nowym enzymom powstało w ekologiczny sposób wiele chemicznych substancji, w tym leków, paliw, czy detergentów.

Druga część tegorocznej nagrody Nobla w dziedzinie chemii przypadła Amerykaninowi George’owi P. Smithowi i Brytyjczykowi Gregory’emu P. Winterowi, których prace nad metodą ukierunkowanej ewolucji przyczyniły się do stworzenia leków, które neutralizują toksyny, powstrzymują rozwój chorób autoimmunologicznych, a nawet mogą zwalczać przerzuty w chorobach nowotworowych. Oni skorzystali z pomocy wirusów atakujących bakterie, tak zwanych bakteriofagów.

Laureat tegorocznej nagrody Nobla z chemii – Gregory Winter /J.L. CEREIJIDO /PAP/EPA

George Smith badał bakteriofagi już w początku lat 80-tych z nadzieją, że pomogą w klonowaniu genów. Technologia badań DNA była jeszcze na bardzo podstawowym poziomie, badania genomu były jeszcze melodią przyszłości, identyfikowanie genów kodujących konkretne białka było trudniejsze, niż szukanie igły w stogu siana. Jeśli jednak już komuś konkretny gen udało się znaleźć, bakteriofagi dawały nadzieję, że pomogą wprowadzić ten gen do organizmu bakterii i produkować białko do badań na masową skalę. Bakteriofagi, jak to wirusy, składają się z materiału genetycznego zamkniętego w białkowej osłonie. By się mnożyć muszą wniknąć do organizmu bakterii i przechwycić jej proces przemiany materii. W ten sposób bakteria sama wytwarza zarówno materiał genetyczny, jak i białka, których wirusy potrzebują. Smith wpadł na pomysł, że ten mechanizm mógłby pomóc szukać genów odpowiadających za kodowanie znanych białek. Dodawanie do genomu fagów fragmentów nieznanych genów i identyfikowanie na ich powierzchni białek, które te nieznane geny kodują dało podstawy do stworzenia metody nazywanej ekspresją fagową (ang. phage display). W 1985 roku Smith potwierdził, że taka metoda działa, a bakteriofagi faktycznie mogą pełnić rolę łącznika miedzy genami i kodowanymi przez nie białkami.

Kolejny przełom nastąpił około roku 1990, kiedy Gregory Winter pokazał, że ta technika może być użyta także do wytwarzania zupełnie nowych biocząsteczek, w szczególności przeciwciał. Dzięki temu już w 1994 roku udało się opracować metodę tworzenia przeciwciał przyłączających się do komórek konkretnych nowotworów. W 2002 roku władze medyczne zaaprobowały pierwszy stworzony tą metodą lek, adalimumab, który neutralizował białko TNF-alfa, odpowiadające za proces zapalny w przebiegu wielu chorób autoimmunologicznych. Lek ten podawano pacjentom cierpiącym między innymi na reumatyczne zapalenie stawów, łuszczycę, czy zapalne choroby jelit. Od tego czasu z pomocą tej metody powstało wiele podobnie działających leków, wiele z nich przechodzi właśnie badania kliniczne.

 

 

Źródło: rmf24, PAP,