Τρεις βιοχημικοί κέρδισαν Νόμπελ Χημείας για την σκηνοθεσία της εξέλιξης

Το Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες που αξιοποίησαν τη δύναμη της εξέλιξης και την επιτάχυναν στο εργαστήριο για να παράγουν νέα, ευεργετικά ένζυμα που χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τη βιομηχανική χημεία και πολλούς άλλους τομείς. Η Frances H. Arnold, καθηγήτρια χημικής μηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, έλαβε το μισό από το φετινό βραβείο επειδή ήταν η πρώτη που κατεύθυνε τεχνητά την εξέλιξη των ενζύμων. Στην πορεία, έγινε μόνο η πέμπτη γυναίκα που έλαβε το Νόμπελ Χημείας. Ο George P. Smith, ομότιμος καθηγητής βιολογικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Missouri, και ο Gregory P. Winter, ομότιμος επικεφαλής ερευνητής στο MRC Laboratory of Molecular Biology, μοιράστηκαν το άλλο μισό του βραβείου για την ανάπτυξη μιας τεχνικής που ονομάζεται εμφάνιση φάγου, η οποία χρησιμοποιεί την κατευθυνόμενη εξέλιξη για την παραγωγή φαρμακευτικά χρήσιμων ενζύμων.

«Για χιλιάδες χρόνια, εμείς οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαμε την επιλεκτική αναπαραγωγή για να δημιουργήσουμε ζώα και φυτά με ιδιότητες που ήταν χρήσιμες για εμάς. Οι φετινοί νομπελίστες έκαναν το επόμενο βήμα», δήλωσε ο Claes Gustafsson, πρόεδρος της επιτροπής επιλογής του Νόμπελ χημείας και βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ, στις παρατηρήσεις του στην ανακοίνωση. «Κάνοντας αυτό, μπόρεσαν να κάνουν την εξέλιξη πολλές χιλιάδες φορές πιο γρήγορα, και κατάφεραν επίσης να κατευθύνουν την εξέλιξη για να δημιουργήσουν πρωτεΐνες με νέες και χρήσιμες ιδιότητες.»

Σύμφωνα με τον Vitor Pinheiro, συνθετικό βιολόγο στο Ινστιτούτο Ιατρικής Έρευνας Rega στο Βέλγιο, «Οι βραβευθέντες παρουσίασαν μερικές από τις πρώτες αρχές της κατευθυνόμενης εξέλιξης των πρωτεϊνών και ενέπνευσαν πολλούς, όπως εγώ, να δουν τη βιολογία ως έναν ευέλικτο καμβά που μπορεί να να διαμορφωθεί σε μια επιθυμητή συνάρτηση."

Η κατευθυνόμενη εξέλιξη πυροδότησε μια επανάσταση επειδή επέτρεψε στους ερευνητές να μιμηθούν την ίδια διαδικασία που χρησιμοποίησε η φύση για να δημιουργήσει την ατελείωτη ποικιλία των ειδών που γεμίζει τον κόσμο. Με τη θεωρία του για την εξέλιξη μέσω της φυσικής επιλογής, ο Κάρολος Δαρβίνος προσδιόρισε πώς μια επαναληπτική διαδικασία γενετικής μετάλλαξης, επιλογής από το περιβάλλον και πολλαπλασιασμού από τους νικητές θα μπορούσε, με την πάροδο των γενεών, να επιτρέψει στους οργανισμούς να γίνουν καλύτεροι στην επίλυση σύνθετων προβλημάτων επιβίωσης. Με τον ίδιο τρόπο, οι χημικοί πρωτεϊνών μπορούν να χρησιμοποιήσουν τεχνητές διαδικασίες μετάλλαξης και επιλογής για να πείσουν τα ζωντανά κύτταρα για να βρουν βιοχημικές λύσεις σε προβλήματα που θα ήταν δυσεπίλυτα δύσκολο για τους ανθρώπους να επιλύσουν μέσω σχεδιασμού ή δοκιμής και λάθους.

«Οι άνθρωποι έχουν εκμεταλλευτεί την έννοια της Δαρβινικής εξέλιξης για χιλιάδες χρόνια με επιλεκτική αναπαραγωγή», δήλωσε ο Στέφαν Λουτς, πρόεδρος του τμήματος χημείας στο Πανεπιστήμιο Έμορι. "Η κατευθυνόμενη εξέλιξη ακολουθεί την ίδια αρχή και την εφαρμόζει στο εργαστήριο."

Μέχρι τη δεκαετία του 1970, πολλοί επιστήμονες ονειρεύονταν ότι οι νέες τεχνολογίες γενετικής μηχανικής θα μπορούσαν κάποια μέρα να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία νέων πρωτεϊνών με εξαιρετικές ικανότητες, όπως ένζυμα που θα μπορούσαν να επιταχύνουν την παραγωγή φαρμάκων. Αλλά το εμπόδιο για να γίνει αυτό ήταν τεράστιο. «Ο σχεδιασμός πρωτεϊνών ήταν μια ακαδημαϊκή άσκηση. Οι υπολογιστικές μας μέθοδοι δεν ήταν αρκετά εξελιγμένες ώστε να είναι πρακτικές για το σχεδιασμό πρωτεϊνών», σύμφωνα με τον Lutz.

Η διόρθωση προστέθηκε στις 30 Οκτωβρίου:Η αρχική εικόνα μιας διπλής έλικας DNA αντιστράφηκε αρχικά κατά λάθος.

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980, ο Arnold προσπάθησε και απέτυχε να επανασχεδιάσει τη σουμπτιλισίνη, ένα βακτηριακό ένζυμο με ποικίλες εμπορικές εφαρμογές, έτσι ώστε να μπορεί να λειτουργήσει σε διαλύτες άλλους από το νερό. Τελικά εγκατέλειψε αυτή την προσέγγιση υπέρ μιας πιο εξελικτικής προσέγγισης στην οποία προκάλεσε επανειλημμένα μεταλλάξεις σε βακτήρια, τα εξέτασε για τα επιθυμητά χαρακτηριστικά και στη συνέχεια εκτράφηκε περισσότερα από αυτά. Μέχρι το 1993, είχε καταφέρει να κάνει το ένζυμο 256 φορές πιο αποτελεσματικό από ό,τι ήταν.

«Η διορατικότητα της Φράνσις ήταν να αναγνωρίσει ότι τα πιο εκπληκτικά μόρια στον κόσμο δεν δημιουργήθηκαν από χημικούς, αλλά από τον βιολογικό κόσμο», είπε ο Τζέσι Μπλουμ, υπολογιστικός βιολόγος στο Κέντρο Έρευνας Καρκίνου Φρεντ Χάτσινσον και πρώην μαθητής του Άρνολντ. «Οι περισσότεροι επιστήμονες είχαν συνηθίσει να σκέφτονται την εξέλιξη με όρους απολιθωμάτων πλασμάτων που έχουν πεθάνει από καιρό, ενώ η χημική μηχανική ήταν κάτι που περιλάμβανε συνθετικές χημικές ουσίες στο εργαστήριο». Η ιδέα της εφαρμογής της εξελικτικής βιολογίας σε προβλήματα στη χημεία και τη βιοτεχνολογία, είπε, «ήταν ένα πραγματικό άλμα».

Μεγάλο μέρος της επιτυχίας της κατευθυνόμενης εξέλιξης στη χημεία εξαρτιόταν από την εύρεση πιο αποτελεσματικών τρόπων δημιουργίας και ελέγχου για χρήσιμες μορφές νέων πρωτεϊνών. Τα θεμέλια αυτού τέθηκαν το 1985, όταν ο Smith έδειξε έναν τρόπο χρήσης βακτηρίων και απλών ιών που ονομάζονται φάγοι για την απομόνωση των γονιδίων για στοχευμένες πρωτεΐνες. Συνέδεσε γονίδια ενδιαφέροντος με το γονίδιο του ίδιου του ιού φάγου για την πρωτεϊνική του κάψουλα. Με αντισώματα, μπορούσε στη συνέχεια να απομονώσει τυχόν φάγους που έκαναν την πρωτεΐνη στόχο.

Ο Γουίντερ ήταν ένας από τους ερευνητές που στη συνέχεια προσάρμοσαν τις τεχνικές του Σμιθ για να ελέγξουν για βιομόρια με χρήσιμες δραστηριότητες. Στη δεκαετία του 1990 τα χρησιμοποίησε για να εξετάσει για διάφορες μορφές πρωτεϊνών αντισωμάτων που θα προσκολλώνταν σε διάφορους βιοχημικούς στόχους. Το 2002 εγκρίθηκε ένα θεραπευτικό αντίσωμα βασισμένο στη μέθοδο Winter για τη θεραπεία της ρευματοειδούς αρθρίτιδας και άλλων φλεγμονωδών καταστάσεων. ακολούθησαν πολλά άλλα τέτοια εξελιγμένα φάρμακα αντισωμάτων.

Πολλές περισσότερες μέθοδοι για κατευθυνόμενη εξέλιξη έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια, αλλά οι πρωτοποριακές συνεισφορές των Arnold, Smith και Winter, μαζί με εκείνες πολλών άλλων επιστημόνων που βοήθησαν στην ανάπτυξη του πεδίου, εξακολουθούν να γίνονται σεβαστή. Ο Arnold εξακολουθεί να εργάζεται για την περαιτέρω εφαρμογή της κατευθυνόμενης εξέλιξης στη φαρμακευτική έρευνα και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

«Το πρωτοποριακό έργο [τους] έδωσε τη δυνατότητα και ενέπνευσε ερευνητές σε όλο τον κόσμο να αξιοποιήσουν τη δύναμη της φυσικής επιλογής για τη μηχανική πρωτεϊνών», δήλωσε η Jennifer R. Cochran, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, μέσω email. Οι τεχνικές τους έχουν γίνει «ραχοκοκαλιά της βιοτεχνολογίας και της φαρμακευτικής βιομηχανίας, υπογραμμίζοντας περαιτέρω τον κοινωνικό και εμπορικό αντίκτυπό τους».

Αυτό το άρθρο περιλαμβάνει συνεισφορές από την Jordana Cepelewicz και τον Jonathan Lambert .

Αυτή η ανάρτηση έχει ενημερωθεί με πρόσθετες λεπτομέρειες σχετικά με το βραβευμένο έργο. Διαβάστε για τους νικητές των βραβείων Νόμπελ 2018 στη Φυσιολογία ή την Ιατρική και στη Φυσική.