Революция в эволюции: за что дали Нобелевку по химии
Возможность создавать ферменты, пептиды и антитела со свойствами, не существующими в природе, подарила миру новые лекарства, экологически чистое топливо и безопасную для здоровья бытовую химию. Все эти достижения стали возможными благодаря развитию такого научного направления, как специализированное воздействие на эволюцию белков и антител. В 2018 году Нобелевский комитет отметил разработчиков этой технологии премией в области химии. Ее присудили ученым из США — Френсис Арнольд, Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру.
Френсис Арнольд из Калифорнийского технологического института — одна из основоположниц в области направленной эволюции ферментов — белков, запускающих различные химические реакции. Работа Джорджа Смита из Университета Миссури и Грегори Винтера из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже посвящена направленной эволюции антител — белков, которые иммунная система использует для распознавания вторгшихся в организм бактерий.
Направленная эволюция
Идея использовать механизм эволюции, чтобы улучшить ферменты, возникла у Френсис Арнольд 20 лет назад. К проблеме создания новых белков с нужными свойствами Арнольд подошла как инженер и подглядела механизм технологии у самой природы. При этом полезные изменения происходят в кратчайшие сроки, для них уже не требуется работа на протяжении тысячелетий.
— На идеи Арнольд опирается вся нынешняя белковая инженерия, — сообщил «Известиям» заведующий лабораторией белковой инженерии факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Дмитрий Жарков. — Белки в наших телах «делают» практически всё: они и строительный материал, и катализаторы. В природе эволюция белка идет уже почти 4 млрд лет — столько, сколько существует всё живое на планете. Но, оказывается, мы можем сделать белок с необходимыми свойствами за гораздо более короткое время прямо в лаборатории.
Сначала Арнольд экспериментировала со случайными мутациями белков и изучала свойства новых соединений. Затем она многократно повторяла этот процесс, накапливая из поколения в поколение положительные изменения в участках ДНК и белках, которые они кодируют.
— Таким способом можно внести в исходный белок много различных мутаций в пробирке и получить широкий репертуар биоразнообразия, — пояснил «Известиям» директор Института биоорганический химии РАН Александр Габибов. — И на этой базе генерировать ферменты с заранее заданными свойствами, превосходящими природные.
Во всем мире метод направленной эволюции давно используют в фармакологии, медицине и диагностике. К примеру, фермент, используют в производстве одного из популярных лекарств от диабета второго типа. Если бы не новые соединения, для изготовления препарата потребовались бы тяжелые металлы. Химический процесс заменили ферментным, тем самым полностью исключив вредные вещества.
С помощью метода направленной эволюции также производят катализаторы, которые позволяют сделать из возобновляемых источников энергии промышленные соединения и топливо. Френсис Арнольд активно поддерживает «зеленую химию»: методика направленной эволюции широко применяется для производства стиральных порошков и средств личной гигиены.
Направленная эволюция открывает перед учеными огромные перспективы в плане редактирования генома. Уже сейчас они научились таким способом полностью исключить некоторые мутации, приводящие к тяжелым генетическим заболеваниям. Однако пока все эти исследования проходят только в пробирках. На людях подобные эксперименты не разрешает проводить ни одна страна в мире.
Фаговый дисплей
Также нобелевская премия в области химии присуждена за лабораторный метод изучения пептидов и антител под названием «Фаговый дисплей» (или фаговое отображение). В 80-е годы прошлого столетия его изобрел Джордж Смит, а на практике для создания новых лекарств применил Грегори Уинтер. В этом методе применяются бактериофаги — вирусы, которые поражают бактерии.
По словам начальника отдела структурной биологии Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» Валерии Самыгиной, фаг — это особый тип вируса, который внутри содержит генетический материал, а снаружи представляет собой оболочку из белков.
— Во-первых, метод используется в генной инженерии для того, чтобы производить белки с определенными свойствами. Во-вторых, фаговый дисплей — это очень хороший способ обнаружения взаимодействия между белками и пептидами или другими соединениями, -— объяснила Валерия Самыгина. -— То есть этот метод прекрасно подходит для поиска лекарств.
Суть технологии заключается в следующем. На поверхности нитчатого бактериофага можно поместить различные структуры — чужеродные короткие пептиды и более крупные белковые молекулы. С их помощью можно определить те места на молекулах вирусных белков, с которыми связываются антитела. Определяя, с какими фрагментами взаимодействует иммунная система организма, на какие фрагменты вирусов направлены ее действия, можно выявить ряд свойств, необходимых при разработке вакцин. С помощью такого подхода проще отбирать, например, необходимые лекарственные вещества или полезные для биотехнологии ферменты.
— Представьте себе систему ключ и замок, — рассказал «Известиям» руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков. — Фаговый дисплей — это способ находить взаимодействие между белками ДНК. Вы фиксируете одну часть белка, которая будет «замочной скважиной», и пытаетесь найти подходящий ключ в виде белковой молекулы.
Заведующая лабораторией терапевтических белков и антител Центра перспективных биомедицинских исследований Новосибирского госуниверситета Нина Тикунова уже более десяти лет работает с технологией фагового дисплея для создания противоинфекционных препаратов нового поколения.
— Мы используем фаговый дисплей для получения терапевтических антител. За последние десять лет фармацевтические компании выпустили десятки препаратов, основанных на антителах, полученных этим методом. В основном это противораковые препараты и лекарства от аутоиммунных заболеваний. Мы получили антитела от вирусов Эбола, клещевого энцефалита, различных видов оспы, — отметила Нина Тикунова.
Фаговый дисплей позволяет создавать антитела, которые нейтрализуют токсины, борются с аутоиммунными заболеваниями и позволяют лечить рак на стадии метастазов. Как отмечают ученые, сейчас появляются похожие методики поиска парных молекул, которые работают не с бактероифагами, однако основаны они на принципе работы фагового дисплея.
