Co ma chemiczny Nobel do medycyny i farmacji?

Wyobraźmy sobie, że wchodzimy do biblioteki wszystkich książek świata. Fragmenty opowieści, możemy dowolnie łączyć i wykorzystywać, by budować własną opowieść. Takie biblioteki białek można tworzyć dzięki metodom noblistów. I powodować, że będą miały pożądane właściwości.

Foto: pixabay.com

Frances H. Arnold oraz George P. Smith i Gregory P. Winter zostali laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Szwedzka Akademia doceniła ich prace za wykorzystanie ewolucji w chemii i jej praktycznego zastosowania na potrzeby ludzi.

Dzięki metodom nagrodzonym przez Komitet Noblowski, powstały miliony enzymów-katalizatorów, przyspieszających reakcje chemiczne potrzebne przy tworzeniu leków, biopaliw, nowych materiałów.

Stworzono miliony białek-przeciwciał rozpoznających czynniki patogenne.

Naukowcy mogą kierować ewolucją tych białek, tak żeby służyły ludzkości w zastosowaniach przemysłowych, ratowały środowisko, pomagały walczyć z chorobami. Ta biblioteka nie ma ograniczeń, stanowi istny wirtualny świat, gdzie można stworzyć nawet takie białka, które nie istnieją w przyrodzie. Niczym powieści fantastyczno-naukowe, obok beletrystyki i dokumentu. Badacze mogą czerpać z nich pełnymi garściami, w zależności od kierunku prowadzonych badań.

Prof. Arnold wyróżniona została za ukierunkowaną ewolucję enzymów. Jak wyjaśniła prof. Joanna Cieśla, biochemik z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, ukierunkowana ewolucja umożliwia uzyskanie ogromnej puli enzymów oraz innych białek, z których można wyselekcjonować takie, które będą miały pożądane właściwości: np. większą aktywność, działanie w innych środowiskach niż wodne, lub katalizowanie określonych reakcji chemicznych.

Tak uzyskane enzymy mogą być wykorzystywane do przywracania środowiska naturalnego zniszczonego przez przemysł, czy uzyskiwania nowych związków chemicznych do rozmaitych zastosowań w medycynie i farmacji, przy produkcji paliw ekologicznych.

„Używanie enzymów, jako katalizatorów jest bardzo korzystne dla środowiska – mówi dr hab. Joanna Cieśla. – Jednak tylko nieliczne enzymy pracują w innych środowiskach niż wodne. Dzięki metodzie noblistki można te białka zmieniać tak, żeby funkcjonowały w innych środowiskach albo katalizowały zupełnie nowe reakcje, które w naturze do tej pory nie zachodziły. Ma to znaczenie dla zastosowań przemysłowych, gdzie uzyskuje się nowe materiały, leki, nowe reagenty”.

Naukowcy uzyskali biblioteki enzymów. Metoda polega na tym, że gen kodujący dane białko jest poddawany mutacjom, następnie uzyskuje się produkcję zmutowanych białek w bakteriach, białka selekcjonuje się pod kątem pożądanej cechy i geny kodujące interesujące białka ponownie poddaje się mutagenezie. Taki cykl powtarza się wielokrotnie. Tak powstają biblioteki genów kodujących białka o bardzo różnorodnych cechach, które nie występują w przyrodzie.

Kiedy mówimy o ewolucji, mamy na myśli selekcję i przeżywanie najlepiej przystosowanych organizmów. W przypadku ukierunkowanej ewolucji białek stosuje się te same mechanizmy, które występują w naturze: przypadkowe mutacje, selekcję i wzbogacanie populacji o pożądanych cechach.

Profesorowie Smith i Winter otrzymali nagrodę za metodę tworzenia białek i przeciwciał z wykorzystaniem bakteriofagów. Fagi są to wirusy, które atakują bakterie. Płaszcz białkowy faga zawiera białka, które rozpoznają określone białka na powierzchni infekowanych komórek, co pozwala na wprowadzenie do komórki-gospodarza materiału genetycznego wirusa. Ten materiał genetyczny włącza się do genomu i steruje metabolizmem komórki ukierunkowując go na produkcję potomnych wirusów” – tłumaczy prof. Cieśla.

Jak wyjaśnia, metoda polega na tym, że w materiał genetyczny wirusa, czyli faga, wbudowuje się odcinki genów kodujących fragmenty przeciwciał. Można skonstruować w ten sposób bibliotekę bakteriofagów, które będą na swojej powierzchni prezentowały fragmenty przeciwciał o różnych właściwościach. Taka ogromna różnorodność przeciwciał, pozwala rozpoznawać różne antygeny i konstruować leki oparte na przeciwciałach, które rozpoznawałyby np. antygeny powierzchniowe komórek nowotworowych.

Jak dodaje prof. Cieśla, wcześniej żeby uzyskać takie wyspecjalizowane przeciwciała (zwane monoklonalnymi), stosowano drogą i mniej efektywną metodę tworzenia hybrydom.

„Były to limfocyty ze śledziony immunizowanych danym antygenem myszy. Takich wyizolowanych komórek myszy nie można hodować, ponieważ one po prostu umierają. Dlatego robiono fuzję z komórkami szpiczaka, czyli nowotworowymi, otrzymywano hybrydomy i te z kolei klonowano, czyli rozdzielano na pojedyncze komórki i namnażano. Każdy klon produkował określone przeciwciało monoklonalne. Metoda z zastosowaniem bibliotek fagowych daje o wiele więcej możliwości” – wyjaśnia biochemik.

Dodaje, że choć nagrodzone przez Komitet Noblowski metody powstały w latach 80-tych zeszłego wieku i nie są nowe, to ich przełomowy charakter widać dopiero po latach. Z perspektywy czasu naukowcy widzą ogrom zastosowań – tak w nauce, jak i w przemyśle.

Karolina Duszczyk

Źródło: naukawpolsce.pap.pl