«Эволюция в пробирке»: за что присудили Нобелевскую премию по химии в 2018 году

Нобелевская премия по химии в 2018 году досталась сразу троим ученым. Половину награды забрала американка Фрэнсис Арнольд, которая стояла у истоков метода, получившего название «направленная эволюция». Вторую половину разделили между собой ее соотечественник Джордж Смит и британец Грегори Уинтер, создавшие и развившие технологию фагового дисплея.

Что это значит и какую пользу несет, ученые постарались объяснить в доступной форме на сайте Нобелевской премии.

Сила эволюции проявляется через разнообразие форм жизни. Нобелевская премия по химии за 2018 год присуждена Фрэнсис Арнольд, Джорджу Смиту и сэру Грегори Уинтеру за то, что они сумели взять под контроль эволюцию и использовать ее для наибольшей выгоды человечества. Энзимы, созданные с помощью направленной эволюции, теперь используются, кроме прочего, для производства биотоплива и фармацевтических препаратов. А антитела, полученные с использованием метода, называемого фаговым дисплеем, могут бороться с аутоиммунными заболеваниями и в некоторых случаях излечивать метастатический рак.

Мы живем на планете, где правит мощная сила – эволюция. С тех пор, как первые семена жизни появились около 3,7 миллиарда лет назад, едва ли не каждая щель в поверхности Земли была населена организмами, приспособленными к своей окружающей среде: лишайники, которые могут жить на голых склонах, археи, которые процветают в горячих источниках, чешуйчатые рептилии, эволюционно спроектированные специально для засушливых пустынь, и медузы, которые светятся в темноте глубоких океанов.

Школьный курс биологии рассказывает нам об этих организмах. Но давайте сменим свою точку зрения и посмотрим на них глазами химика. Жизнь на Земле существует потому, что эволюции в течение всей истории приходилось решать множество сложных химических проблем. Все организмы научились извлекать материалы и энергию из своей собственной экологической ниши и использовать их для строительства уникального химически создания, которым они же и являются. Рыба может плавать в полярных океанах благодаря антифризным белкам в своей крови, а мидии могут прилипать к камню, потому что они разработали подводный молекулярный клей, и это лишь крупица из бесчисленного количества подобных примеров.

Великолепие химии жизни заключается в том, что она запрограммирована в наших генах, которые могут наследоваться и развиваться. Небольшие случайные изменения в генах приводят к изменениям этой химии. Иногда они дают более слабый организм, иногда более устойчивый, который вследствие и выживает, передавая свой улучшенный признак дальше. Так новая химия постепенно развивается, и жизнь на Земле становится все более сложной.

Этот процесс дошел до того, что породил трех людей, которые были достаточно сложно устроены, чтобы придумать, как овладеть эволюцией и направить ее в выгодное русло. Нобелевские лауреаты в области химии за 2018 год совершили революцию одновременно в науке и в индустрии, научив весь мир создавать, к примеру, новые виды фармацевтических препаратов через направленную эволюцию.

Энзимы – точнейший инструмент самой жизни

Уже в 1979 году, едва получив диплом инженера-механика и аэрокосмического инженера, будущая звезда науки Фрэнсис Арнольд четко понимала: человечество сможет извлекать для себя пользу, только развивая новые технологии. В то время правительство США решило к 2000 году перевести 20% производства энергии в стране на возобновляемые источники. Арнольд взялась за солнечную энергетику. Однако перспективы будущего этой отрасли радикально изменились после президентских выборов 1981 года, когда к власти пришел Рональд Рейган, сделавший ставку на нефть. Тогда предприимчивая исследовательница обратила свое внимание на новую ДНК-технологию. Ее целью было ни много ни мало – переписать код жизни, чтобы добиться создания новых материалов и химических веществ.

Вместо того, чтобы производить фармацевтические препараты, пластик и другие химические вещества с использованием традиционной химии, для которой часто требуются сильные растворители, тяжелые металлы и агрессивные кислоты, Арнольд задумала использовать в химической промышленности химические инструменты, которые использует сама жизнь – энзимы (они же ферменты). Они катализируют химические реакции, происходящие в организмах. Осталось лишь научиться создавать новые виды энзимов, и химия изменится навсегда.

Пределы человеческой мысли

Первоначально, как и многие другие исследователи в конце 1980-х годов, Фрэнсис Арнольд попыталась использовать рациональный подход к конструированию энзимов, чтобы придать им новые свойства. Но энзимы – это очень сложные молекулы. Они состоят из 20 различных форм строительных блоков – аминокислот, которые могут создавать бесконечное количество комбинаций. Один-единственный энзим может складываться из нескольких тысяч аминокислот. Они связаны друг с другом длинными цепями, которые формируются в специальные трехмерные структуры. Среда, необходимая для катализа конкретной химической реакции, создается внутри этих структур.

Использовать логику, чтобы придумать, как перестроить естественную архитектуру молекулы для придания энзимам новых свойств, невероятно сложно. И это даже с учетом современного уровня знаний и вычислительной мощности компьютеров. В начале 1990-х гг. Арнольд решила признать превосходство природы и вместо этого взялась за другой природный инструмент для усовершенствования химии – эволюцию.

Арнольд вступает в игру с эволюцией

В течение нескольких лет ученая пыталась изменить энзим под названием субтилизин, чтобы вместо катализирования реакций в водном растворе, он начал работать в органическом растворителе диметилформамиде. И когда она создала случайные изменения – мутации – в генетическом коде этого энзима, Арнольд ввела мутировавшие гены в бактерии, а те вследствие произвели тысячи разных вариантов субтилизина.

Теперь задача состояла в том, чтобы определить, какой из полученных вариантов лучше всего действует в органическом растворителе. В эволюции мы говорим о выживании наиболее приспособленных; в направленной эволюции этот этап называется селекцией.

Фрэнсис Арнольд использовала тот факт, что субитилизин имеет свойство разрушать молочный белок казеин. Она выбрала тот вариант энзима, который справлялся с этой задачей лучше всего в 35% растворе диметилформамида. А затем повторила всю процедуру от мутации до селекции с начала, чтобы получить еще более эффективный в такой среде энзим.

В третьем поколении Арнольд удалось получить субтилизин, который выполнял поставленную задачу в заданных ею условиях в 256 раз лучше, чем исходная версия энзима. Этот вариант обладал комбинацией из десяти разных мутаций, в которых никто не смог бы разобраться, подойдя к проблеме с привычными научными методами. При этом исследовательница продемонстрировала, какой эффективной может быть работа по искусственному направлению эволюции (в данном случае энзимов) в сравнении с голой человеческой рациональностью. И это был первый и самый решительный шаг к научной революции, свидетелями которой мы являемся.

Следующий важный шаг сделал Уиллем Стеммер – голландский исследователь и предприниматель. Он изобрел еще один способ направлять эволюцию энзимов – спаривание в пробирке. Увы, Стеммер не дожил до дня, когда его детище получило признание Нобелевского комитета. Он умер в 2013 году и потерял право на получение Нобелевской премии, которая не присуждается посмертно.

Спаривание для более стабильной эволюции

Одной из предпосылок естественной эволюции является то, что гены разных особей смешиваются, например, через спаривание или опыление. Затем полезные свойства родителей могут скомбинироваться и дать в новом поколении более устойчивый организм. Менее функциональные мутации таким же образом отсеиваются и исчезают.

Стеммер использовал пробирку для спаривания: шаффлинга ДНК. В 1994 году он показал, что можно разделять различные версии гена на мелкие кусочки, а затем при помощи инструментов ДНК-технологии собирать фрагменты пазла в целый ген, являющийся мозаикой из оригинальных версий. После нескольких раундов шаффлинга ДНК ученый получал намного более эффективный энзим, чем его исходный прародитель. Это продемонстрировало, что спаривание генов (в науке теперь известное как рекомбинация) может приводить к еще более эффективной эволюции энзимов.

Новые энзимы производят экобезопасное топливо

Инструменты ДНК-технологии были усовершенствованы с начала 1990-х гг., а методов, которые используются в направленной эволюции, стало намного больше. Фрэнсис Арнольд остается пионером этого прорыва. Энзимы, которые производятся в ее лаборатории, могут катализировать химические реакции, не существующие в природе, чтобы производить совершенно новые материалы. Созданные ею вещества стали важными инструментами в производстве новейших фармпрепаратов. Они помогают ускорять химические реакции, уменьшают количество их побочных продуктов и в некоторых случаях позволяют исключить тяжелые металлы, необходимые в традиционной химии, что значительно снижает воздействие на окружающую среду.

История Фрэнсис Арнольд к этому моменту совершила полный оборот – сейчас она снова работает над производством возобновляемых источников энергии. Ее исследовательская группа создала энзимы, которые превращают простые сахара в изобутанол – обогащенное энергией вещество, которое может быть использовано для производства как биотоплива, так и экологически чистого пластика. Одной из долгосрочных целей группы Арнольд является производство более экологически чистого топлива для транспорта. Альтернативные его виды, производимые при помощи созданных ею белков, могут использоваться в автомобилях и самолетах. Таким образом, открытия ученой делают мир более экологичным.

А теперь перейдем ко второй половине сегодняшней Нобелевской премии. Когда направленная эволюция стала доступна человечеству, ее стали использовать для создания фармпрепаратов, способных нейтрализовать токсины, бороться с прогрессирующими аутоиммунными заболеваниями и, в отдельных случаях, даже лечить метастатический рак. В этом помогает крошечный вирус, который заражает бактерии, и метод, известный как фаговый дисплей.

Смит использует бактериофагов

Как это часто случается, наука пошла по непредсказуемому пути. В первой половине 1980-х годов, когда Джордж Смит начал использовать бактериофаги – вирусы, которые заражают бактерии, – он в первую очередь надеялся, что сможет с их помощью клонировать гены. ДНК-технология тогда была еще очень молода, а человеческий геном оставался неизведанной территорией. Исследователи знали, что он содержит все гены, необходимые для производства белков организма, но определять, какой из генов кодирует который из белков, было сложнее, чем искать иголку в стоге сена.

Используя существующие в генетике инструменты, уже можно было внедрять определенные гены в бактерии, которые, при определенной доле везения, начинали массово производить белок для исследований. Этот процесс и получил название клонирование генов, а идея Джорджа Смита заключалась в том, чтобы изящно использовать для него еще и бактериофагов.

Бактериофаг – связующее звено между белком и его неизвестным геном

Бактериофаги по своей природе очень просты. Они состоят из небольшого фрагмента генетического материала, который инкапсулирован в защитную белковую оболочку. Когда они воспроизводятся, они вводят свой генетический материал в бактерии и взламывают их метаболизм. Бактерии начинают производить новые копии генетического материала своего «взломщика», а также белки, которые образуют капсулу, чтобы смог получиться новый бактериофаг.

Идея Джорджа Смита заключалась в том, чтобы использовать простую конструкцию бактериофагов, чтобы обнаружить неизвестный ген, кодирующий известный белок. В то время уже были доступны большие молекулярные библиотеки, в которых хранились массы фрагментов различных неизвестных генов. Смит придумал объединять эти фрагменты с изученным геном одного из белков в капсулу бактериофага. При получении следующего их поколения белки неизвестного гена оказывались бы на поверхности бактериофага как часть белка капсулы.

Антитела могут выуживать правильные белки

Этот метод приводил к тому, что новый бактериофаг нес на своей поверхности несколько разных белков. На следующем этапе работы, утверждал Джордж Смит, исследователи должны были использовать антитела, чтобы выуживать из этого «супа» те особи, которые несут на себе известные белки. Антитела – это тоже белки, их уникальная способность в том, что они, как прицельные ракеты, с предельной точностью определяют какой-то конкретный белок из десятков тысяч других и связываются с ним. Таким образом, выловив на антитело бактериофагов с известным белком от вживленных в них генов, они бы автоматически получали еще и искомый белок от неизученного гена, подсаженного вместе с ним.

Это была очень элегантная идея, и в 1985 году Джордж Смит продемонстрировал, что она может сработать. Он создал бактериофага, который нес на своей поверхности часть белка пептида. И он ловился на антитело.

Благодаря своему эксперименту Смит заложил основу того, что называется фаговым дисплеем. Это блестящий в своей простоте метод. Его сила заключается в том, что бактериофаг функционирует как связь между белком и его геном. В 1990 году несколько исследовательских групп начали использовать фаговый дисплей для разработки новых биомолекул. Одним из тех, кто взял эту технику на вооружение, стал Грегори (Грег) Уинтер, и благодаря его исследованиям, фаговый дисплей теперь приносит человечеству немало пользы. Чтобы понять, почему, нам нужно более внимательно изучить антитела.

Антитела могут блокировать процесс болезни

Лимфатическая система человека обладает клетками, которые могут продуцировать сотни тысяч различных видов антител. Известно, что эти клетки, которых в организме много видов, не прикрепляются ни к одним другим молекулам организма – только к целевым. Огромная вариативность антител во многих случаях гарантирует, что среди них найдется необходимое, которое прикрепится к вирусу или бактерии, которые заражают нас болезнями. Когда антитело присоединяется к такому вторженцу, оно посылает сигнал агрессивным иммунным клеткам, которые уничтожают его.

Поскольку антитела крайне избирательны и присоединяются лишь к одной молекуле среди десятков тысяч других, исследователи давно надеялись, что можно будет разработать антитела, которые блокируют определенные болезненные процессы в организме и функционируют подобно фармацевтическим препаратам. Первоначально для получения этих лечебных антител мышам вводили разные молекулы-мишени для фармацевтических препаратов, такие, как белки из раковых клеток. Однако в 1980-х годах стало понятно, что этот метод имеет ограничения: некоторые вещества были токсичны для мышей, а другие не приводили к образованию антител. Кроме того, было обнаружено, что иммунная система пациентов распознавала полученные антитела как чужеродные и атаковала их. Это приводило к разрушению мышиных антител и приводило к риску развития у пациентов побочных эффектов.

Именно эта сложность и побудила Грега Уинтера начать исследовать потенциал фагового дисплея Джорджа Смита. Он хотел исключить мышей из цепи производства фармпрепаратов и разрабатывать их на основе человеческих антител, поскольку их наша иммунная система принимает хорошо.

Уинтер помещает антитела на поверхность бактериофагов

Антитела представляют собой Y-образные молекулы, у них есть словно две руки, конец каждой из них присоединяется к чужеродным субстанциям. Уинтер присоединил генетическую информацию об этой части антитела к генам для одного из белков капсулы бактериофага. В 1990 году ученый показал, что это приводит к тому, что антитело присоединяется к его поверхности. Антитело, которое использовал исследователь, было создано для того, чтобы ловить маленькую молекулу, известную как phOx. Когда Грег Уинтер использовал phOx в качестве своего рода молекулярного крючка, ему удалось вытащить бактериофаг с антителом на его поверхности из «супа», в котором плавало четыре миллиона других бактеориофагов.

После этого Грег Уинтер показал, что он может использовать фаговый дисплей в направленной эволюции антител. Он создал библиотеку бактериофагов с миллиардами разновидностей антител на их поверхностях. Из этой библиотеки он выделял антитела, которые прикреплялись к различным белкам-мишеням. Затем он случайным образом изменил это первое поколение антител и создал новую библиотеку, в которой он обнаружил антитела с еще более сильными прикреплениями к цели. Например, в 1994 году он использовал этот метод для разработки антител, которые прикреплялись к раковым клеткам с высоким уровнем специфичности.

Первое в мире лекарство на основе человеческих антител

Грег Уинтер с коллегами основал компанию, которая работает с фаговым дисплеем антител. В 1990-е гг. она разработала фармацевтический препарат, полностью основанный на человеческих антителах, – адалимумаб. Антитело в его составе нейтрализует белок TNF-alpha (фактор некроза опухоли), который приводит к воспалению при многих аутоиммунных заболеваниях. В 2002 году этот препарат был одобрен для лечения ревматоидного артрита, а сейчас используется и в терапии различных видов псориаза и воспалительных заболеваний кишечника.

Успех адалимумаба стимулировал значительное развитие в фармацевтической промышленности, и фаговый дисплей стали использовать, например, для производства онкологических антител. Один их вид, к примеру, освобождает в теле клетки-убийцы, которые могут атаковать опухоль. Рост новообразования замедляется и, в отдельных случаях, пациенты с метастатическим раком излечиваются – это исторический прорыв в лечении рака. Другое одобренное антитело нейтрализует бактериальный токсин, который вызывает сибирскую язву, а еще одно замедляет аутоиммунное заболевание, известное как волчанка; многие другие антитела в настоящее время проходят клинические испытания, например, для борьбы с болезнью Альцгеймера.

Заря новой эры в химии

Методы, разработанные лауреатами Нобелевской премии 2018 года по химии, в настоящее время разрабатываются на международном уровне для развития более экологически чистой химической промышленности, производства новых материалов, безопасных биотоплив, облегчения болезней и спасения жизней. Направленная эволюция энзимов и фаговый дисплей антител позволили Фрэнсис Арнольд, Джорджу Смиту и Грегу Уинтеру принести величайшее благо человечеству и заложить основу для революции в химии.

Перевод с английского – «112»