Дирижеры эволюции. Как лауреаты Нобелевской премии по химии 2018 обуздали естественный процесс развития жизни

Человечество давно научилось вмешиваться в природные процессы. Порой это вмешательство приносит вред, но в случае с Фрэнсис Арнольд, Джорджем Смитом и сэром Грегори Винтером оно обернулось для человечества "наибольшей пользой". Вот что следует знать о работе лауреатов Нобелевской премии по химии 2018, сумевших направить эволюцию в нужное им русло.

От лженауки к прорыву

Фрэнсис Арнольд стала пятой женщиной, получившей Нобелевскую премию в области химии. В 1993 году она изобрела метод направленной эволюции ферментов, который заключается в создании новых белков путем мутации и рекомбинации их последовательностей ДНК. Таким образом, можно целенаправленно "выводить" протеины с необходимыми свойствами. Например, создавать ферменты, ускоряющие химические реакции.

Предложенные ею методы применяются по всему миру для экологически чистого производства топлива, фармацевтических препаратов и других материалов, где вместо токсичных растворителей, металлов и кислот используются безвредные ферменты. Один из выведенных ферментов применяется в производстве популярного препарата для лечения диабета 2 типа Januvia.

Направленная эволюция также помогла создать катализаторы, которые позволяют производить промышленные химикаты и топливо из возобновляемых источников.

"Когда я начала публиковать документы, демонстрирующие, что я могу создать более стабильные ферменты, изменить их субстратную специфичность и сделать их более активными, это были вещи, о которых никто не имел понятия. Двадцать пять лет назад это считалось лженаукой", - сказала Арнольд в 2014 году, выступая в Национальном зале изобретателей США.

Сразу после объявления победителей Нобелевский комитет дозвонился до Арнольд, однако из-за технических проблем журналисты не расслышали ее комментарий.

Охота на гены

Джордж Смит ступил на путь, который привел его к получению Нобелевской премии в 80-х годах. Тогда уровень знаний о человеческом геноме был не столь высоким, как сейчас. Ученые знали, что в нем содержатся все гены, необходимые для кодирования белков, но определить конкретный ген для определенного протеина было крайне сложно. Технологии позволяли внедрить ген в бактерию, которая могла затем воспроизвести белок для изучения.

Смит решил использовать в подобных экспериментах бактериофагов (вирусы, которые поражают бактерии).

Природа этих вирусов проста: они состоят из белковой оболочки и генетического материала, который в процессе размножения вводится в бактерию, "взламывая" ее метаболизм. В итоге бактерия начинает производить копии генетического материала фага и белковой оболочки. Смит предположил, что это свойство можно использовать для определения неизвестных генов, связанных с известными белками. Но для этого была нужна помощь антител.

Дело в том, что новообразованные фаги содержали в своих оболочках многочисленные белки. Чтобы выделить известные науке протеины, нужны были антитела (также известные), способные с высокой точностью идентифицировать конкретный белок. Итогом такой охоты служило выявление гена, ответственного за кодирование этого самого белка.

Работоспособность своей идеи Смит доказал в 1985-м году, заложив основу для возникновения исследовательского метода, ныне известного как фаговый дисплей.

"Очень немногие научные прорывы являются действительно новыми, - прокомментировал получение премии Смит. – Почти все они основаны на более ранних идеях. Это дело случая. Именно так и вышло с моей работой. Моя идея и направление исследований соответствовало направлению прошлых изысканий".

Со словами Смита сложно не согласиться, ведь его открытие поспособствовало работе другого новоиспеченного лауреата – Грегори Винтера.

Природное лекарство

Как известно, антитела являются основным оружием иммунной системы – естественной защиты человека от болезней. Ученые давно задумались над тем, чтобы использовать их в качестве лекарственных средств.

Для выведения лечебных антител проводились эксперименты на мышах, но в 80-х годах стало очевидно, что у этого решения имеется ряд недостатков. Некоторые субстанции, которые вводились грызунам, оказывали токсичный эффект на их организмы, а порой внедренные антитела атаковались их иммунными системами.

Грег Винтер решил устранить эти недостатки, выведя из уравнения мышей, и занявшись созданием препаратов на основе антител человека. Для этого он и использовал фаговый дисплей. В 90-х годах с его помощью исследователь сумел разработать препарат под названием адалимумаб. В 2002-м году основанное на антителах человека средство было одобрено для лечения ревматоидного артрита.

Успех препарата подтолкнул развитие фармацевтической индустрии, а фаговый дисплей стал использоваться для выведения антител, которые нейтрализуют токсины, противодействуют аутоиммунным заболеваниям и даже борются с метастатическим раком.

Реакция научного сообщества

"Лауреаты этого года в области химии взяли под контроль эволюцию и использовали ее же принципы - генетические изменения и селекцию - для разработки белков, которые решают проблемы человечества", - гласит сообщение Нобелевского комитета.

Научное сообщество такие взгляды разделяет. Так, профессор биохимической инженерии и биотехнологии Университетского колледжа Лондона Пол Далби полагает, что метод направленной эволюции, разработанный Фрэнсис Арнольд, позволяет ускорить естественный эволюционный процесс, занимающий миллионы или даже миллиарды лет, сократив срок менее, чем до недели.

"Это направление так и ждало Нобелевской премии", - сказал он.

Профессор биохимии из Университета Гетеборга Клас Густафссон также считает, что лауреаты сумели подчинить и ускорить естественные природные процессы. "На протяжении тысяч лет люди использовали селекционное разведение для выведения животных и растений, обладающих полезными для нас свойствами. В этом году лауреаты Нобелевской премии сделали следующий шаг. Они смогли ускорить эволюцию в тысячи раз, а также направить ее в русло создания белков с новыми и полезными свойствами".

Профессор Кэрол Робинсон, президент Королевского химического общества (Великобритания), отметила, что Нобелевская премия в этом году подчеркивает "огромную роль химии во многих областях нашей жизни, включая производство лекарств, моющих средств, экологичных катализаторов и биотоплива". Она также добавила, что исследования лауреатов навсегда изменили медицину.

Ранее на этой неделе стали известны имена лауреатов Нобелевской премии 2018 в области физики, а также медицины и физиологии.