Nobelova nagrada za kemijo 2018

Švedska kraljeva akademija znanosti je danes sporočila, da letošnjo Nobelovo nagrado za kemijo prejmejo ameriška kemičarka Frances H. Arnold (polovico) ter ameriški kemik George P. Smith in britanski biokemik Gregory P. Winter (vsak četrtino) za usmerjeno evolucijo encimov in vezavnih proteinov. Letošnji prejemniki so razvili in izpopolnili metode, ki omogočajo izrabo evolucijskih principov pri pripravi encimov, ki so koristni pri proizvodnji številnih kemikalij, vse od biogoriv do zdravil. Na podoben način selektivno vzgojena protitelesa so uporabna v boju proti avtoimunskim boleznim in raku.

Frances H. Arnold je na Berkeleyju doktorirala iz kemijskega inženirstva, podoktorsko usposabljanje pa je opravljala na Caltechu. Njen cilj je bil razviti encime, ki bi jih lahko uporabili za proizvodnjo zdravil, plastike in drugih kemikalij. Klasični kemijski postopki namreč uporabljajo katalizatorje iz težkih kovin, kisline in baze, visoke temperature, okolju neprijazna topila itd. Hkrati pa je evolucija v živih bitjih razvila organske molekule, encime, ki prav tako katalizirajo različne kemijske reakcije. In ti so aktivni v sorazmerno blagem okolju, na primer pri človeku v vodnih raztopinah pri 37 °C brez močnih kislin, baz ali težkih kovin. Evolucija je reševala probleme, s katerimi se soočajo živa bitja, in za vsako nujno kemijsko reakcijo razvila svoj encim. Od tod ni daleč do predpostavke, da lahko razvijemo ali vsaj evoluciji pomagamo razviti še encime, ki bodo katalizirali reakcije, ki jih potrebuje kemijska industrija.

Skoraj nemogoče je pripraviti umeten encim na pamet. Čeprav so sestavljeni le iz 20 aminokislin, so izjemno kompleksne molekule, kjer včasih že sprememba ene same aminokisline uniči aktivnost. Dodatna težava je tridimenzionalna zgradba (folding), ki jo je nemogoče napovedati,a je ključna za aktivnost encimov. Gre za Levinthalov paradoks, ko se vsak encim pravilno zvije v točno določeno obliko, ki je aktivna, čeprav je vseh možnosti bistveno več kot atomov v vesolju. V resnici obstajajo pomožni proteini, ki pomagajo pri zvitju, niso pa neznana niti napačna zvitja. Arnoldova je v 80. letih sprva poizkušala uporabiti inženirski pristop in načrtovati encime za svoje potrebe, a je tak pristop obsojen na propad. Zato je v 90. letih obupala nad tem pristopom, ki ga je sama poimenovala aroganten. Zato je poizkusila z evolucijo.

Ko je poizkusila razviti varianto encima subtilisin, ki bi namesto v vodnem mediju delovala v topilu dimetilformamid, je gen naključno mutirala in ga vstavila v bakterije. Ko so te potem živele v 35-odstotnem dimetilformamidu, so preživele tiste, ki so imele želeno mutacijo. In tako je sčasoma razvila encim, ki je v dimetilformamidu še učinkovitejši od naravnega v vodi. Varianta, ki je bila 256-krat učinkovitejša od divjega tipa, je imela 10 točkovnih mutacij, ki jih vnaprej nihče ne bi mogel napovedati. Naključje in evolucija pa sta to zmogla. Danes lahko ustvarimo umetne encime, ki katalizirajo reakcije, ki se v naravi sploh ne dogajajo (živi organizmi niso imeli potrebe zanje, zato se niso razvili). Plastika, biogoriva, zdravila itd. so na dosegu rok.

George Smith je doktoriral iz bakteriologije in imunologije na Harvardu in se podoktorsko usposabljal na Univerzi Wisconsin. Raziskoval je bakteriofage, kakor se imenujejo virusi, ki okužijo bakterije. V 80. letih so jih videli predvsem kot način za kloniranje genov. Bakteriofagi so preprosti organizmi, ki jih sestavljata kapsula iz zaščitnih proteinov, ki vsebuje kratek zapis genskega materiala. Po okužbi bakterijo prisilijo v izdelavo kopij. Smith je zato razmišljal, kako bi bakteriofage uporabil za iskanje gena, ki ga ne poznamo in kodira znan protein. To so bili časi, preden je bil genom raziskan in poznan. Imel je precej genialno zamisel. Če bi nek gen iz knjižnice genov, za katerega ni vedel, kaj kodira, združil z genom za proteine v kapsuli bakteriofaga, bi nove kopije tega bakteriofaga na površini kapsule vsebovale tudi proteine, ki jih kodira gen z neznano funkcijo. Proteine pa lahko preprosto identificiramo s protitelesi, na katere se specifično vežejo. Preprosto ne pomeni, da je postopek trivialen, je pa izvedljiv in ponovljiv. Metoda se danes imenuje phage display.

Toda izkazalo se je, da glavna uporabna vrednost te metode ne bo kloniranje genov, temveč razvoj biomolekul. Greg Winter je raziskoval, kako bi lahko Smithovo tehniko uporabil za zdravljenje. Živa bitja proizvajajo protitelesa, ki so izjemno specifična. V zdravem osebku pustijo pri miru vse organizme lastne celice, a se specifično vežejo na škodljive tujke. Prepoznajo eno samo molekulo med tisočimi neškodljivimi. Oblikovani so kot črka Y, kjer se vsaka roka pripne na tujek. Ko je Winter v dedni material bakteriofaga dodal zapis za protitelesa, je uspel ustvariti bakteriofag, ki je imel na površini vezavno mesto protitelesa. Izkazalo se je, da lahko tako tarčno goji bakteriofage, ki bodo izkazovali točno določena protitelesa. Evolucijska proizvodnja protiteles v epruveti je postala možna.

Leta 2002 je na tržišče prispelo prvo zdravilo, ki vsebuje protitelo, ki nevtralizira protein TNF-alfa, ki je odgovoren za vnetni odgovor v avtoimunskih boleznih. Uporablja se za zdravljenje revmatoidnega artritisa, luskavice in vnetja črevesja. Danes s protitelesi, ki so vzgojena na tak način, zdravimo tudi tumorje in raka, nevtraliziramo toksine, ki povzročajo antraks itd.