Тема:

Нобелевская премия-2018 1 сутки назад

Химию в жизнь: нобелевские лауреаты-2018 приручили эволюцию

Фрэнсис Арнольд получит награду "за направленную эволюцию ферментов", а Джордж Смит и Грегори Уинтер – "за фаговый дисплей пептидов и антител".
Иллюстрация с сайта nobelprize.org.

Нобелевский комитет объявил имена лауреатов премии по химии 2018 года. Награда присуждена Фрэнсис Арнольд (Frances Arnold), Джорджу Смиту (George Smith) и сэру Грегори Уинтеру (Gregory Winter) "за взятие под контроль эволюции и использование тех же принципов – генетического отбора – для разработки белков, которые решают химические проблемы человечества".

В этом году было принято решение разделить премию: Фрэнсис Арнольд получит награду "за направленную эволюцию ферментов", а Джордж Смит и Грегори Уинтер – "за фаговый дисплей пептидов и антител".

Как отмечается на сайте Нобелевского комитета, сила эволюции проявляется в разнообразии жизни. Самые древние её формы миллиарды лет приспосабливались к существованию в самых разных условиях – в горячих источниках, на дне океанов и в засушливых пустынях. При этом эволюция сама предлагала решения ряда химических проблем. Она создала особые инструменты жизни – белки, которыми сегодня учёные могут манипулировать.

Нобелевские лауреаты 2018 года нашли способ взять под контроль эволюцию и использовать её на благо человечества.

Так, ферменты, полученные с помощью стратегии направленной эволюции, могут использоваться для производства множества полезных материалов и продуктов – от биотоплива до фармацевтических препаратов. Тем временем антитела, созданные с помощью метода под названием фаговый дисплей, помогают в борьбе с аутоиммуннмыи заболеваниями и даже самыми серьёзными онкологическими болезнями.

Поясним подробнее, в чём заключаются открытия Нобелевских лауреатов.

Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского технологического института, которую окрестили в научных кругах "звездой энзимной инженерии", ещё в 1993 году начала эксперименты по направленной эволюции ферментов, а именно, белков, которые могут катализировать (ускорять) химические реакции.

Она не раз признавалась, что мечтала использовать инструменты жизни в интересах человечества, для создания более простых и экологичных методов производства различных материалов.

Традиционная химия опиралась на методы, которые требуют использования мощных растворителей, тяжёлых металлов и токсичных кислот. Идея Фрэнсис Арнольд заключалась в том, чтобы заменить их инструментами, созданными природой.

Для экспериментов она выбрала фермент под названием субтилизин (subtilisin). Он выступает катализатором химических реакций в водном растворе, учёный пыталась изменить "настройки", чтобы заставить фермент работать в органическом растворе диметилформамида.

Она изменила генетический код фермента, а затем ввела гены с нужной мутацией, кодирующие этот фермент, бактериям. В результате последние начали производить тысячи различных вариантов субтилизина.

Оставалось выяснить, какой из этих вариантов лучше всего работает в органическом растворителе.

Арнольд использовала тот факт, что субтилизин разрушает молочный белок, казеин. Затем она выбрала вариант субтилизина, который наиболее эффективен при разрушении казеина в 35%-м растворе диметилформамида.

Впоследствии оказалось, что несколько "поколений мутаций" повышают мощность субтилизина в невероятные 256 раз. Итоговый вариант фермента имел комбинацию из десяти различных мутаций и открывал перспективы для материаловедения, которых невозможно было достичь при помощи классических инструментов химии.

Таким образом, Фрэнсис Арнольд продемонстрировала возможность использования направленной эволюции для получения новых ферментов и управления ими. Это был первый и важнейший шаг в этом направлении.

В дальнейшем к работе присоединился голландский исследователь и предприниматель Виллем Стеммер (Willem Stemmer), скончавшийся в 2013 году. Он открыл "новое измерение" направленной эволюции – "спаривание генов" в пробирке.

Одной из предпосылок естественной эволюции является смешивание генов разных особей. Самые выгодные свойства затем упрочняются и развиваются, а более слабые функциональные мутации со временем исчезают и не передаются будущим поколениям. Но что, если использовать те же принципы для перетасовки ДНК в пробирке, рассуждали учёные?

Такую возможность и продемонстрировал Стэммер в 1994 году. Он разрезал разные версии генов на мелкие фрагменты, а затем складывал их, словно мозаику, в новый оригинальный ген.

Несколько циклов перетасовки ДНК позволили получить ферменты, гораздо более эффективные, чем их "исходники". Эту перетасовку генов позднее назвали рекомбинацией.

С начала 1990-х годов инструменты изменения ДНК были значительно усовершенствованы, как и стратегии направленной эволюции. Сегодня ферменты, получаемые в лаборатории Арнольд, в буквальном смысле творят химию, недоступную самой природе, помогая создавать совершенно новые материалы. При этом для реакций больше не требуется токсичных соединений, а в процессе работы остаётся меньше побочных продуктов.

Так сбылась мечта Арнольд: она работает над созданием экологически чистых пластмасс, а также возобновляемых источников энергии. В частности, её команда разработала ферменты, которые превращают простые сахара в изобутанол, который можно использовать в производстве биотоплива для автомобилей и самолётов.

Другое направление работы – создание новых фармацевтических препаратов.

К слову, авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали об одном из исследований Фрэнсис Арнольд: её команда создала белок, способный скреплять два "несоединяемых" химических элемента – углерод и кремний.

Вторую часть Нобелевской премии разделят Джордж Смит из Университета Миссури – Колумбия и сэр Грегори Уинтер, глава кембриджского Тринити-колледжа.

В 1980-х годах Смит начал использовать бактериофаги – вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки, – для клонирования генов.

Технологии работы с ДНК только начинали развиваться, геном человека ещё не был расшифрован. Учёные уже знали, что он содержит гены, необходимые для производства белков, но узнать, какой ген отвечает за производство конкретного белка, было всё равно что искать иголку в стоге сена.

Однако такое открытие могло бы принести огромную пользу. Нужные гены можно было бы внедрять бактериям для "массового производства" нужных белков.

Тогда Джордж Смит предположил, что выявить связь между тем или иным геном и белком, который он кодирует, можно на примере бактериофагов. Работать с ними довольно просто, ведь они содержат небольшие фрагменты генетического материала, помещённого в защитную оболочку – капсид.

Когда бактериофаги размножаются, они вводят свой генетический материал в бактерии, в результате происходит перестройка метаболизма бактериальной клетки. Бактерии начинают производить новые копии генетического материала бактериофагов и белки, которые образуют капсид, в котором формируются новые бактериофаги.

Идея Смита заключалась в том, чтобы отследить пару "ген-белок", наблюдая за этим процессом. Он предлагал искать неизвестный ген для известного белка, используя антитела – белковые соединения, которые могут, словно ракеты предельной точности, прикрепляться к одному нужному белку из десятков тысяч.

В 1985 году Смит впервые продемонстрировал свой элегантный метод, получивший название фаговый дисплей. Сегодня он позволяет изучать белок-белковые, белок-пептидные и ДНК-белковые взаимодействия. При этом бактериофаг функционирует как "ссылка" между геном и белком.

Следующий крупный прорыв последовал в 1990 году, когда сразу несколько исследовательских групп начали использовать фаговый дисплей для разработки новых биомолекул.

Одним из первопроходцев стал Грегори Уинтер: он использовал фаговый дисплей для создания антител для новых фармацевтических препаратов.

Поясним, что сотни тысяч различных видов антител в составе лимфатической системы человека могут блокировать развитие множества заболеваний. Антитела связываются с вирусами или бактериями и посылают сигнал иммунным клеткам для уничтожения патогенов.

Поскольку антитела "высокоинтеллектуальны" и могут действовать избирательно, исследователи надеялись с помощью особых терапевтических видов блокировать различные негативные процессы в организме человека.

Однако в 1980-х годах стало очевидно, что этот метод имеет изъян. Некоторые вещества, вводимые мышам с раковыми опухолями для производства нужных антител, либо вообще не работали, либо оказались токсичными. А некоторые антитела иммунная система признала чужеродными и атаковала их.

Именно это побудило Уинтера использовать фаговый дисплей для создания новых антител, которые не отторгнет иммунная система.

В результате учёный создал гигантскую библиотеку бактериофагов с миллиардами разновидностей антител и выяснил, какие из них могут прикрепляться к конкретным целевым белкам.

После этого исследователь начал создавать новые антитела, ещё более "умные". В 1994 году он использовал фаговый дисплей для разработки "узконаправленных" антител, которые прикрепляются к специфическим раковым клеткам.

Первый из препаратов, созданный при помощи методики Уинтера, получил название Адалимумаб (Adalimumab). Его применение было одобрено в 2002 году: было доказано, что препарат эффективно борется в ревматоидным артиритом, псориазом и воспалительными заболеваниями кишечника.

Дальнейшая работа с фаговым дисплеем показала, что при помощи этого метода можно производить антитела, которые нейтрализуют токсины, противодействуют другим аутоиммунным заболеваниям, а также помогают в лечении метастатического рака, убивая клетки опухоли и замедляя её рост.

Другие лекарственные средства, созданные благодаря открытиям Смита и Уинтера, сегодня используются для борьбы с сибирской язвой и волчанкой. Также множество препаратов проходят клинические испытания. Среди них – новое средство для борьбы с болезнью Альцгеймера.

Напомним, что в прошлом году обладателями Нобелевской премии по химии стали Жак Дюбоше (Jacques Dubochet), Йоахим Франк (Joachim Frank) и Ричард Хендерсон (Richard Henderson). Они получили награду "за развитие методов криоэлектронной микроскопии для определения структуры молекул в растворе".

В понедельник были объявлены имена лауреатов премии по физиологии и медицине: ими стали Джеймс Эллисон (James Allison) и Тасуку Хондзё (Tasuku Honjo). Премия присуждена "за разработку терапии рака путём ингибирования отрицательной иммунной регуляции".

День спустя Артур Ашкин (Arthur Ashkin), Жерар Муру (Gérard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) удостоились Нобелевской премии по физике "за новаторские изобретения в области лазерной физики".

Сегодня