Революция в эволюции: что значат «нобелевские» открытия в химии - 2018

В Стокгольме названы имена лауреатов Нобелевской премии 2018 года по химии. Половина премии присуждена Фрэнсис Арнольд «за направленную эволюцию ферментов». Вторая половина – Джорджу Смиту и Грегори Уинтер – «за фаговый дисплей пептидов и антител», говорится в сообщении на сайте Нобелевского комитета.

Грегори Уинтер, Джордж Смит и Фрэнсис Арнольд

Атомы превращаются… Превращаются атомы…

Арнольд и Смит – американцы, Уинтер – англичанин. Лауреатам этого года удалось «укротить» эволюцию ферментов и пептидов, научившись получать биологические молекулы с требуемыми свойствами. С помощью этих методов удается получать новые лекарства и антитела, а также заменять традиционные катализаторы, содержащие ионы тяжелых металлов, более «зелеными».
Интересно, что результаты премии объявляются не только по-шведски и по-английски. После этого председатель комитета повторяет формулировку на немецком, французском и русском языках.
Эта премия, как и премия по физике в этом году, состоит из двух разных работ, связанных только общей идеей – эволюцией.

Что такое ферменты?

Фрэнсис Арнольд – профессор знаменитого Калтеха (именно там работают герои знаменитого сериала про «ботаников» – «Теория большого взрыва»), ее сфера деятельности – ферменты, или энзимы, биологические катализаторы.
Чтобы понять, что это такое, нужно вспомнить определение из первого года школьной химии. Катализатор – это вещество, которое не расходуется в реакции, однако ускоряет ее или меняет ее направление. «Не расходуется», конечно, не означает «не участвует» – участвует, однако большей частью восстанавливается до исходного состояния.

Как работают эти катализаторы?

Когда реакции протекают в живых организмах, роль катализаторов особенно велика: биологические молекулы (например, в нашем теле) – очень большие и сложные, поэтому, предоставленные сами себе, они могли бы взаимодействовать сотнями разных способов с сотнями разных результатов. Представьте себе две разноцветные цепочки из конструктора лего – только вот синие и красные еще и магнитятся, притягиваются друг к другу. Это – биологические молекулы, они длинные, в них есть атомы водорода, углерода, кислорода, азота и иногда другие. Если подбросить эти цепочки рядом один раз, допустим, первый красный кирпичик слипнется с третьим синим. Подбросить еще раз – первый красный с пятым красным – и так далее. Результат каждый раз будет разным. Это могло бы происходить и с биологическими молекулами, если бы не катализаторы.
Вместо этого существует стройная система живых тел, элемент случайности там крайне мал. Реакции между молекулами в нашем организме идут чрезвычайно точно и дают строго одинаковый и воспроизводимый результат.
Например, белки – строительный элемент наших мышц и органов – синтезируются из поступающих из еды аминокислот под контролем ДНК. Каждому белку соответствует своя ДНК, и она обеспечивает его производство чрезвычайно точно. Как раз потому, что ей помогают ферменты, которые сформировались в живых организмах в течение нескольких миллиардов лет эволюции.

Что сделали лауреаты?

У природы было время на эволюцию ферментов – от одноклеточных бактерий до большого сложного человека, а у ученых его нет. Перед ними стоят задачи, для которых нужны катализаторы, а это все реакции современной химической промышленности – от производства лекарств до крекинга нефти и синтеза полимеров и всех синтетических материалов вокруг нас. Чрезвычайно привлекательным было бы сделать все эти процессы столь же управляемыми, как те, что происходят в нашем организме. То есть нужно направить эволюцию ферментов в нужном нам направлении и по возможности – провести ее быстрее, чем миллионы лет.
«Наши сегодняшние лауреаты сильно ускорили эволюцию. Как? В природе мутации происходят случайно, большая часть их не нужна и теряется, не воспроизводится, а нужные возникают очень редко. Благодаря изучению ферментов мы примерно знаем, какой участок их генома нужно изменить, чтобы добиться нужного нам эффекта. Так что случайная вариация производится только в дополнение. Именно эта комбинация целенаправленности и случайности дает результат. В наличии результата – еще одно отличие от естественной эволюции. Это направленность. Природа не знает, к чему идет, эволюция движется вслепую. А в лаборатории у нас есть цель – мы хотим, допустим, получить катализатор для получения биотоплива. И управляемая эволюция – это то, что ведет к нашей цели», – пояснила принцип управляемой эволюции член Нобелевского комитета по химии профессор Сара Сногеруп Линсе.

Что такое “фаговый дисплей”?

Сэр Грегори Уинтер работает в Кембридже, Джордж Смит – в Университете Миссури в Колумбии. Они «приспособили» для эволюции белков бактериофагов – вирусы, которыми «болеют» бактерии. Метод, предложенный Смитом в 1985 году, получил название «фаговый дисплей».
Уинтер догадался использовать его для управляемой эволюции антител – ключевого элемента иммунитета в борьбе с болезнетворными клетками. Первый фармпрепарат, полученный этим методом, был одобрен к применению в 2002 году и используется для лечения ревматоидного артрита, псориаза и воспалений кишечника. «Отношения» бактерий и бактериофагов вообще активно изучаются и используются учеными – их также использует многообещающий метод редактирования генома – CRISPR-Cas9, который еще ждет своей Нобелевской премии.

Почему без этих методов не обойдутся в промышленности и медицине?

Предложенные методики развивают сотни групп по всему миру как в фундаментальной науке, так и в промышленности. Сама Фрэнсис Арнольд владеет патентами на ферменты для производства биологического топлива – топлива, которое производится из возобновляемых ресурсов, то есть растений.
Правда, биотопливо несколько вышло из моды в последние 10 лет: оказалось, что главной проблемой современных топлив является не их ископаемость, а выделение углекислого газа. Биотоплива в этом смысле полностью аналогичны.
Сэр Грегори Уинтер имеет патенты на антитела для фармацевтики, в Кембридже он основал три биотехнологические компании.
«Я не могу сказать, сколько всего лекарств было произведено методом фагового дисплея, однако знаю, что из 15 самых продаваемых в мире лекарств 11 сделано этим методом, – сказала профессор Линсе после оглашения имен победителей. – Я не могут сейчас точно сказать, дороги ли они. Но их преимущество в том, что этот тип связывания – фаговый дисплей – настолько эффективен, что позволяет кардинально снизить дозы действующего вещества. Настолько, что, например, можно обойтись нанесением препарата на кожу вместо инъекции. Это тоже влияет на цену».
Сейчас лекарства, сделанные этим методом, помогают человеку решать самые разные проблемы, от нейтрализации токсинов до борьбы с аутоиммунными заболеваниями и метастатическими раками.