По заветам Дарвина

Нобелевская премия по химии 2018 года присуждена трем ученым, которые использовали принципы эволюции для производства новых химических соединений: профессору Фрэнсис Арнольд, которая провела первую направленную эволюцию ферментов-белков, ускоряющих химические реакции, и профессорам Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру за работу по использованию вирусов для выработки новых белков и антител.

«Лауреаты применили принципы Дарвина в пробирках и использовали этот подход для разработки нового типа полезных для человечества веществ, — заявил председатель Нобелевского комитета по химии Клаус Густафсон. — В естественной среде эволюция белков проходила сотни миллионов лет, начиная с зарождения жизни на Земле. Ученые смогли повторить этот процесс в пробирках, заставили эволюцию идти в тысячи раз быстрее и направили этот процесс на создание белков с новыми полезными свойствами».

Методы, разработанные лауреатами, уже используются в различных отраслях промышленности, позволяют получать продукцию экологически безопасными, «зелеными», методами и позволили разработать противораковые медикаменты. Как заявил Нобелевский комитет, их работы принесли огромную пользу человечеству.

Джентльмены этого не делали

В 1993 году профессор Арнольд использовала пионерские методы генетических изменений и отбора, чтобы произвести важные энзимы, то есть ферменты, которые являются специфическими белками, ускоряющими различные реакции в организме человека.

Ферменты вырабатываются по инструкции, заложенной в ДНК, поэтому, искусственно вызывая ее мутации, можно создавать как очень полезные, так и «мусорные» белки. Арнольд смогла получить различные энзимы, среди которых она выбрала наиболее эффективные для катализации конкретных химических реакций. Этот подход нашел применение в фармацевтике, биотопливе и многих других областях.

Как сказала Арнольд, «я копировала замечательный процесс эволюции, чтобы разводить молекулы, как вы разводите кошек и собак. Двадцать пять лет назад это считали лженаукой. Ученые этого не делали. Джентльмены этого не делали. Но так как я инженер и не джентльмен, у меня не было проблем с этим».

Валерий Фокин, профессор The Scripps Research Institute (США), руководитель лаборатории биоортогональной химии МФТИ

YouTube

Валерий Фокин, профессор The Scripps Research Institute (США), руководитель лаборатории биоортогональной химии МФТИ, входящий в список лучших химиков мира и самых влиятельных ученых в мире по версии Thomson Reuters, так разъяснил «Стимулу» суть работ Фрэнсис Арнольд:

— Нам хорошо известно, что все химические реакции делаются с помощью ферментов. Ферменты очень специфичны: один белок переваривает белки, другой занимается сахарами, третий — производством энергии и так далее. Сейчас известно примерно пятнадцать тысяч таких белков. В организме они функционируют в конкретных физиологических условиях — в воде в присутствии кислорода, в присутствии всего, что есть у нас в организме. Эта специфичность ферментов всегда представлялась привлекательной: почему бы не использовать эти белки для других дел? Не для переваривания курицы, а для переваривания, к примеру, разлившейся нефти. Ее можно превратить с помощью ферментов в водорастворимые соединения, которые не будут вредить океану. А можно сделать и полезные вещества, такие как детергенты, которые получают сейчас достаточно жесткими технологиями с использованием агрессивных катализаторов и сред. То есть было бы хорошо получить белки, которые не обязательно работали бы в таких разведенных растворах и средах, как в организме, а работали бы как нормальная химическая фабрика. Сделали, поместили в бутылку и заставили получать новое соединение для лекарств, или новый стиральный порошок, или что-то еще, что мы сейчас производим химическими методами — не всегда безопасно и не всегда эффективно.

Каким образом можно сделать белки более устойчивыми и более неприхотливыми к различным средам? Можно попробовать менять некоторые последовательности аминокислот, и эти изменения будут менять свойства белков. Природа это делает постоянно, что и называется эволюцией. Иногда природа делает такие изменения ошибочно, но в результате иногда получается более устойчивый белок. В научных экспериментах можно тоже воспроизвести эволюцию и даже ускорить ее. Что и было сделано Фрэнсис Арнольд. С белками можно сделать то же, что делал Мичурин с яблоками, селекционировать их, но на молекулярном уровне. Это хороший метод: поскольку бактерии, в которые мы помещаем исходный белок, размножаются быстро, в течение нескольких часов, и можно от цикла к циклу постоянно отбирать те белки, которые проявляют лучшие свойства, и те бактерии, которые могут больше производить таких белков. Вместо того чтобы по традиционной схеме растить белки в среде на основе бычьего белка, можно запускать такие органические вещества, которые плохо влияют на жизнедеятельность бактерий. Кто выживает, идет в следующий цикл, и так далее.

Этот метод, который назвали методом направленной эволюции, используется уже лет пятнадцать. В частности, его активно используют фармкомпании. И суть его в том, что на систему оказывается эволюционное давление: слабаки отмирают, сильные выживают, и так от цикла к циклу отбирается лучший белок. Сейчас таким методом в промышленности получают многие ферменты.

Изюминка этого метода направленной эволюции состоит и в том, что можно получать новые ферменты: они ускоряют реакции, природе неизвестные, а придуманные для решения неких проблем. До сих пор они делались с помощью специальных химических реагентов, а сейчас их можно улучшить с помощью белков. Например, разложить ту же пролившуюся в море нефть.

Таким образом, Арнольд фактически взяла эволюцию под контроль и заставила природные ферменты превращаться в новые химические фабрики под давлением эволюционных изменений и отбора».

А вот комментарий члена-корреспондента РАН, заведующего кафедрой химической энзимологии химического факультета МГУ Сергея Варфоломеева:

— Это выдающееся достижение, которое позволяет конструировать белковые катализаторы ферментов с заданными свойствами. Это созревшая, хорошо сделанная и широко используемая работа, достойная Нобелевской премии.

Фрэнсис Арнольд стала лишь пятой женщиной, когда-либо получившей Нобелевскую премию по химии после Ады Йонат в 2009 году, Ирен Жолио-Кюри в 1935-м, ее матери Мари Кюри в 1911-м и Дороти Кроуфут Ходжкин в 1964 году.

Создать нужный вирус

Джордж Смит и сэр Грегори Винтер были награждены за фаговый дисплей пептидов и антител. Ученые кропотливо отбирали гены, случайным образом вносили в них мутации и через какое-то время отбирали молекулы белка с нужными им свойствами. Исследования оказались крайне полезны для медицины.

Профессор Смит, как и Фрэнсис Арнольд, тоже изменял бактерии, чтобы получить белки, но по-другому. Смит изменял ДНК бактерий, вставляя определенный белок в генетический код бактериофага — бактериального вируса. Бактериофаг синтезировал белок на основе введенной в него матрицы и «демонстрировал» его на поверхности вирусной частицы в составе белка оболочки. После этого оставалось лишь выделить фаговые частицы с желаемыми свойствами поверхностных белков и обнаружить в них искомый фрагмент ДНК.

Уинтер использовал этот метод для управления эволюцией новых антител — иммунных белков, которые связываются и нейтрализуют патогенные микроорганизмы, такие как бактерии или вирусы, — с целью создания новых лекарств.

Он собрал коллекцию фагов с миллиардами разновидностей антител на их поверхности и сконструировал их так, чтобы они стали более эффективными.

На его методе основано производство препарата «Адалимумаб», одобренного к применению в 2002 году. Он применяется для лечения ревматоидного артрита и псориаза. С тех пор по этому принципу созданы многие другие препараты.

Как сказал Сергей Варфоломеев, «их методы используются во многих областях индустрии, медицины, анализа, органического синтеза: например, метод, который используют диабетики для определения глюкозы в крови, и вообще все методы, основанные на анализе крови, — это ферментные методы».

«А ведь еще в начале 1990-х годов люди не верили, что наши методы могут лечь в основу терапии», — сказал д-р Уинтер во время телефонной пресс-конференции в среду.

«Невозможно переоценить последствия этой работы для всей нашей повседневной жизни — биотопливо, химикаты, окружающая среда, медицина и многое другое, например лечение рака, артрита, болезни Крона, лихорадки Эбола, — сказал Джереми Фаррар, директор глобального благотворительного фонда Wellcome. — Это сильно повлияло на всю современную медицину».