Nobelova cena za chémiu za riadený vývoj

Produkcia enzýmov a protilátok s použitím prírody

Na cielenú produkciu enzýmov a protilátok používajte vývojové princípy. © Johan Jarnestad / Kráľovská švédska akadémia vied
čítať nahlas

Baktérie a fágy ako pomocníci: Tohtoročná Nobelova cena za chémiu sa týka troch vedcov, ktorí využili princípy biologickej evolúcie pri vývoji nových enzýmov a protilátok. Frances Arnold vyvinul metódu na prispôsobenie enzýmov zmenou ich genetického plánu. George Smith a Sir Gregory Winter použili ako pomocníka pri produkcii nových proteínov a protilátok fágy, vírusy infikujúce baktérie.

Od vzniku prvých živých buniek pred asi 3, 5 miliardami rokov sa život na našej planéte neustále vyvíja. Postupom času sa nielen plány organizmov stali komplexnejšími, a to aj na úrovni buniek a vývoj metabolizmu viedol k stále novým molekulárnym nástrojom. Mutácia a selekcia vytvorili stále účinnejšie formy, najmä pre proteíny, „pracovné kone“ bunkového aparátu.

Práve tento princíp evolúcie na bunkovej úrovni využili traja víťazi ocenení. Použili genetické mechanizmy modifikácie a selekcie modrotlače na výrobu enzýmov šitých na mieru, ako aj peptidov a protilátok, alebo ich ešte lepšie vyrobili.

Frances Arnold: Enzýmy z dielne prírody

Polovicu tohtoročnej Nobelovej ceny za medicínu dostane americký vedecký pracovník Frances Arnold. Sir v 80. rokoch skúmal produkciu enzýmov. Vo všetkých živých veciach a bunkách tieto proteíny pôsobia ako biologické katalyzátory. Problém je však v tom, že enzýmy sú vysoko komplexné a môžu pozostávať z tisícok aminokyselín. Ich typ a trojrozmerné usporiadanie určuje, akú funkciu má enzým.

Princíp riadenej evolúcie smerom k produkcii enzýmov © Johan Jarnestad / Kráľovská švédska akadémia vied

Cieľom konštrukcie enzýmu od základu takým spôsobom, že vyvoláva požadovanú chemickú reakciu, je preto časovo náročné a čisto chemické metódy. Arnold to tiež uznal a zvolil nový prístup: nesnažila sa chemicky prispôsobiť existujúci enzým svojmu účelu, ale zmenila jeho biologický plán - DNA. zobraziť

Navrhla náhodné mutácie v génovom kóde pre enzým subtilizín, ktorý okrem iného môže štiepiť kazeín z mliečnych bielkovín. Ich cieľ: Vytvoriť variant tohto enzýmu, ktorý má túto schopnosť nielen vo vodných roztokoch, ale aj v organickom rozpúšťadle. Za týmto účelom Arnold infiltroval náhodne zmenené DNA plány do bakteriálnych buniek a umožnil im produkovať varianty enzýmov. Arnold potom testoval, ktorý z modifikovaných enzýmov najúčinnejšie katalyzoval reakciu, ktorú požadovali, a pokračoval v "šľachtení" s týmito variantmi DNA. S úspechom: Identifikovala desať mutácií v pláne subtilizínu, ktorý dal enzýmu požadovanú vlastnosť.

Odvtedy sa Arnoldova metóda založená na DNA, riadená evolúcia nových enzýmových variantov, stala jednou zo štandardných metód biochémie. V súčasnosti sa používa na výrobu enzýmov na výrobu farmaceutických výrobkov, pre chemický priemysel a tiež na výrobu biopalív. Mnoho chemických reakčných krokov, ktoré sa dajú dosiahnuť iba toxickými alebo nákladnými činidlami, sa teraz môže uskutočňovať s použitím enzýmov, a teda šetrnejších k životnému prostrediu a podľa príkladu prírody.

Princíp fágového displeja Johan Jarnestad / Kráľovská švédska akadémia vied

Smith: fágy ako vyhľadávač „plánov“

George P. Smith a Sir Gregory P. Winter, ktorí zdieľajú druhú polovicu tohtoročnej Nobelovej ceny za chémiu, použili pri vývoji nových biomolekúl aj princíp riadeného vývoja. Prvý krok urobil americký vedec Smith v 80. rokoch 20. storočia. Skúmal fágy, veci podobné vírusom, ktoré infikujú baktérie. Fágy neobsahujú oveľa viac ako jediný obal a genóm, do ktorého vstrekujú, keď sú v kontakte s baktériou.

Tento jednoduchý princíp dal Smithovi myšlienku použiť fág ako pomocníka pri hľadaní genetického plánu známych proteínov. Kombinoval však génové fragmenty neznámeho obsahu s génom, ktorý kódoval celý proteín fága. Fág potom vytvoril obalový proteín, ktorý tiež obsahoval časti proteínu kódované neznámym fragmentom génu.

Teraz prišiel rozhodujúci krok: Smith pridal protilátky k fágu, ktoré sa viazali iba na proteín, ktorého plán sa hľadal. Protilátky ho teda označili fágom, ktorý nesie kúsok proteínu, a teda génový úryvok s jeho plánom.

Zima: protirakovinový liek s pomocou fágu

Táto metóda fágového displeja viedla Brita Gregory Wintera o krok ďalej. Uvedomil si, že fágy, ako spojenie medzi proteínom a genetickým návrhom, môžu tiež zacieľovať protilátky na lekárske účely a produkovať biotechnologicky prostredníctvom svojho kódu DNA. Winter použil metódu vyvinutú Smithom a spočiatku vyrobil celú knižnicu fágov, z ktorých každá mala na svojej škrupine odlišné protilátky.

Pokiaľ sa v súčasnosti hľadá protilátka pre špecifický proteín, napríklad receptor na povrchu rakovinových buniek, použije sa fágová knižnica. Návrh protilátok, ktoré tieto fágy nesú, bol potom optimalizovaný zmenou DNA a opätovným vložením do fágu, kým sa protilátky, ktoré produkujú, neviažu tak účinne, ako je to potrebné, na receptor rakovinových buniek.

Týmto spôsobom je teraz možné špecificky vyvinúť protilátkovú terapiu pre určité choroby. Winter a jeho tím produkovali v 90. rokoch prvý liek, ktorý bol založený výlučne na protilátke: liek adalimumab bol schválený v roku 2002 ako antireumatoidná artritída a teraz sa používa proti chronickému zápalu čriev. Odvtedy sa pomocou metódy vyvinutej Smithom a Winterom vyvinuli ďalšie protilátkové lieky, okrem iného, ​​proti metastatickej rakovine, autoimunitným ochoreniam a toxínom.

(Nobel Foundation, 04.10.2018 - NPO)