Znamy laureatów tegorocznej Nagrody Nobla z dziedziny chemii. W tym roku nagrodę zdobyli Frances H. Arnold za sterowaną ewolucję enzymów oraz George P. Smith i Sir Gregory P. Winter za rozwój metody wykorzystującej bakteriofagi (czyli wirusy atakujące bakterie) do selekcji białek o określonych własnościach.

Frances H. Arnold to szósta kobieta w historii uhonorowana Nagrodą Nobla z dziedziny chemii. W tym roku otrzymała ją za pierwszą w pełni kontrolowaną ewolucję enzymów. Jest to proces pozwalający na tworzenie enzymów, które w wyniku modyfikacji DNA mogą wygenerować nowe funkcje i przyczynić się do tworzenia nowych substancji. Metoda polega na wykorzystywaniu bakteriofagów przeznaczonych do generowania enzymów o zmienionych własnościach dzięki przeróbce ich genów. Może to znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach życia – począwszy od produkcji biopaliw, aż do wykorzystania w przemyśle farmaceutycznym.

O komentarz w kwestii wygranej Frances H. Arnold i jej roli w rozwoju przyszłości nauki poprosiliśmy prof. dr hab. Joannę Beretę z Zakładu Biochemii Komórki Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ oraz dr Joannę Szaleniec z Katedry Otolaryngologii Wydziału Lekarskiego UJ, która odniosła się do wygranej George P. Smitha i Sir Gregory’ego P. Wintera.

Enzymy to biokatalizatory. Bez nich nie ma życia. W toku ewolucji nasze naturalne enzymy nabierały takich cech, które pozwalały im jak najlepiej wykonywać swoje zadanie, np. pepsyna świetnie się ma w kwaśnym pH żołądka, a enzymy bakterii pochodzących z gorących źródeł wytrzymują bardzo wysokie temperatury. Naturalne enzymy mają też określoną specyficzność – przetwarzają konkretne substancje a „zostawiają w spokoju” inne, nawet bardzo podobne. Prof. Frances Arnold opracowała metodę, pozwalającą na otrzymywanie enzymów o zmodyfikowanych własnościach. Można ją określić jako ewolucję w probówce. Przede wszystkim do pracy zaprzęgamy bakteriofaga. Do jego genomu dodajemy gen kodujący interesujący nas enzym. Ten gen możemy poddawać procesowi mutagenezy, gdzie w krótkim czasie pojawiają się różne mutacje, które powodują niewielkie zmiany w strukturze enzymu. Otrzymujemy miliony różnych bakteriofagów, z których każdy zawiera przepis na nieco zmodyfikowany enzym. Przypomina to naturalny proces mutagenezy jednak w naturze mutacje pojawiają się znacznie rzadziej. W naturalnym środowisku jeśli mutacja powodowała zmianę korzystną czyniła organizm lepiej przystosowanym do warunków środowiska – była ona utrwalana, przekazywana następnemu pokoleniu. W sterowanej ewolucji enzymów to człowiek decyduje, które nowe cechy chce utrwalić. W sprytny sposób selekcjonuje tylko te bakteriofagi, które pozwalają na produkcję enzymu o cechach przez badacza pożądanych: np. enzym bardzo wytrzymały na wysoką temperaturę; enzym, którego aktywność jest regulowana przez warunki środowiska; enzym, który pracuje szybciej niż ten wyjściowy; enzym, który rozpoznaje sztuczne, nienaturalne substancje i np. degraduje je. Takie zmodyfikowane enzymy możemy wykorzystywać w wielu dziedzinach – komentuje prof. Joanna Bereta.

Dr Joanna Szaleniec z kolei wyjaśnia – bakteriofagi to wirusy, które mają zdolność zakażania komórek bakteryjnych. Mają one prostą budowę, dzięki czemu obecnie stosunkowo dobrze rozumiemy zasady ich funkcjonowania. Wewnątrz bakteriofaga znajduje się materiał genetyczny (DNA lub RNA). Jest on otoczony przez białka tworzące tzw. kapsyd. Kiedy bakteriofag połączy się z komórką bakteryjną, wprowadza do jej wnętrza swój materiał genetyczny. Zawiera on „przepis”, według którego bakteria zaczyna produkować nowe bakteriofagi. Ostatecznie dochodzi do rozpadu komórki bakteryjnej. Jednym z najbardziej oczywistych (jednocześnie najstarszych, bo liczącym już sto lat) zastosowań bakteriofagów jest terapia fagowa (skrót od bakteriofag), czyli zastosowanie tych wirusów do zwalczania zakażeń bakteryjnych. Wiele wskazuje na to, że dzięki bakteriofagom można skutecznie leczyć te infekcje, które nie poddają się terapii antybiotykowej. Ponadto dzięki względnej prostocie budowy fagów  obecnie istnieją możliwości, aby skutecznie je modyfikować i wykorzystywać do bardzo wielu rozmaitych celów. Tegoroczni Nobliści opracowali metodę, dzięki której można zastąpić fragment materiału genetycznego bakteriofaga genem kodującym określone białko. W efekcie produkowane są nowe bakteriofagi posiadające na powierzchni to właśnie białko. W ten sposób można stworzyć całą bibliotekę rozmaitych białek, w szczególności przeciwciał mogących znaleźć zastosowanie w leczeniu wielu chorób. Przeciwciało pasujące np. do cząsteczki mającej istotne znaczenie w rozwoju choroby można następnie „wyłowić” ze wspomnianej biblioteki.​ Co ważne, wraz z białkiem pozyskuje się gotowy gen będący przepisem na jego otrzymanie. Jest ono eksponowane na powierzchni wirusa zawierającego odpowiedni gen w swoim wnętrzu. Ten genialny pomysł niewątpliwie zasługuje na Nagrodę Nobla, ale można się spodziewać, że wkrótce bakteriofagi znajdą jeszcze wiele nowych fascynujących zastosowań.

Pokojowa Nagroda Nobla - przeczytaj komentarz dr Sajduka i dr hab. Lubasia

-------------------------

Grafika na górze:  Niklas Elmehed. © Nobel Medi

Ciekawe? Przeczytaj także:

• Fagowe polowanie na bakterie
• Dobre wirusy oczyszczą rany z bakterii