По заветам Дарвина

Новые лауреаты Нобелевской премии по химии взяли под контроль эволюцию и использовали те же принципы — генетические изменения и отбор — для разработки белков, которые решают химические проблемы человечества
По заветам Дарвина
Нобелевская премия по химии 2018 года присуждена Фрэнсис Арнольд, Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру
nobelprize.org

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.

magnifier.png Методы, разработанные лауреатами, уже используются в различных отраслях промышленности, позволяют получать продукцию экологически безопасными, «зеленым» методами и позволили разработать противораковые медикаменты

«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.


НОБЕЛЬ ХИМ РИС1.png



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».

НОБЕЛЬ ХИМ ФОКИН.png
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.

magnifier.png «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»

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.

magnifier.png Арнольд фактически взяла эволюцию под контроль и заставила природные ферменты превращаться в новые химические фабрики под давлением эволюционных изменений и отбора

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.


НОБЕЛЬ ХИМ РИС2.png


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.

magnifier.png Ученые кропотливо отбирали гены, случайным образом вносили в них мутации и через какое-то время отбирали молекулы белка с нужными им свойствами

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».

Еще по теме