Эволюция в пробирке. Химиков наградили Нобелем за помощь в лечении рака
В Швеции огласили обладателей Нобелевской премии по химии. Половину денежного приза получит американка Фрэнсис Арнольд, вторую часть разделят Джордж Смит (США) и Грегори Уинтер (Великобритания). Как отмечено в решении комитета, премия 2018 г. "присуждена за революцию, которая была совершена благодаря эволюции".
Фрэнсис Арнольд — пятая женщина-лауреат Нобелевской премии по химии — впервые применила так называемую "направленную эволюцию" ферментов, то есть белков, являющихся катализаторами химических реакций. Ферменты, произведенные таким образом, используются для создания множества веществ — от биотоплива до фармацевтических препаратов. Дело в том, что метод "направленной эволюции" позволяет получать белки с конкретными свойствами под каждую отдельную задачу. Два года назад профессор получила за свои разработки престижную премию Millennium Technology Prize, которую называют "технологическим Нобелем". Она, кстати, первая женщина, удостоившаяся этой награды.
Джордж Смит придумал метод изучения белок-белковых, белок-пептидных и ДНК-белковых взаимодействий под названием "фаговый дисплей". Бактериофаги — вирусы, которые поражают бактерии, — используются для определения связей между участками ДНК и конкретными белками. Его коллега сэр Грегори Уинтер использовал этот метод для создания новых фармацевтических препаратов. В частности, фаговый дисплей позволяет создавать антитела, которые нейтрализуют токсины, борются с аутоиммунными заболеваниями и позволяют лечить рак на стадии метастаз.
Игра в бога
Если бы не эволюция, человек никогда бы не вышел на сушу, а после не слез с дерева. Именно благодаря эволюции мы можем наблюдать такое разнообразие животных и растений. Однако, для того чтобы приспосабливаться к новым условиям, живым организмам нужны ферменты (энзимы) — белки, которые являются катализаторами химических реакций. Функция каждого фермента уникальная, поскольку каждый из них активизирует только один биохимический процесс. Так, в человеческом организме более 3 тыс. энзимов. Они, к примеру, обеспечивают переваривание пищи, восстановление органов и тканей, стимулируют деятельность головного мозга.
Эти процессы развивались одновременно с развитием жизни на Земле. Но благодаря открытию Фрэнсис Арнольд сегодня ученые могут сами выступить в роли природы, организовав процесс эволюции прямо в пробирке. Таким образом можно создать белки, которые еще не успела создать природа. Инжиниринг белков — это технологии проектирования белков "на заказ". К примеру, для создания лекарств или биотоплива.
Упрощенно процесс выглядит следующим образом. Сперва следует получить как можно больше вариантов определенного белка, а после этого отобрать те, чьи характеристики лучше всего подходят для реализации поставленной задачи. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет получен "идеальный белок". В итоге процесс эволюции занимает не миллионы лет, а всего несколько недель.
Создай себе бактериофаг
Эволюционируют не только энзимы. В человеческом организме множество белков, выполняющих самые разные функции. К примеру, антитела находят и распознают потенциальные угрозы вроде вирусов, бактерий или клеток, которые вдруг начали вести себя как-то странно. Этот механизм, когда организм сам борется с проблемой, успешно используют в медицине — многие лекарства, в том числе от рака, это именно такие антитела, называемые также иммуноглобулинами.
Антитела похожи на рогатку, каждая из таких частиц способна связывать (определять) определенную частицу, расположенную на поверхности вируса или бактерии, так называемый антиген. После этого антитела блокируют бактерии или вирусы, чтобы они не размножались, или нейтрализуют выделяемые ими токсичные вещества. У млекопитающих выделяют пять классов иммуноглобулинов (IgG, IgA, IgM, IgD, IgE), которые отличаются и по строению, и по функциям.
Именно за методику, позволяющую создавать антитела, и получил награду Джордж Смит. В основе его метода лежит использование бактериофагов —вирусов, которые могут атаковать бактерии. Фаговый дисплей — это лабораторный метод изучения взаимодействий белков с ДНК, пептидами и другими белками, использующий бактериофагов для того, чтобы соотнести белки и генетическую информацию, кодирующую их. Бактериофаги могут "поглощать" фрагмент ДНК, а затем выводить его на поверхность. Таким образом, ученые могут исследовать взаимодействие белков с другими частицами и между собой. К примеру, выяснить, как антитело будет реагировать на конкретный антиген.
Эта методика отлично зарекомендовала себя при создании препаратов, призванных обнаружить в организме новообразования. Ведь к антителам можно прикрепить различные частицы, которые станут разрушительными для раковой клетки. Собственно, за использование методики фагового дисплея для создания лекарств и получил Нобелевскую премию сэр Грегори Уинтер. Так, сегодня разработанный на основании этого метода препарат адалимумаб используется для лечения ревматоидного воспаления суставов, псориаза и воспаления кишечника.
