Эволюционные технологии для биоцивилизации - Нобелевская по химии 2018

Дух Дарвина торжествует в открытиях, за которые вручена Нобелевка по химии 2018. Фрэнсис Арнольд (Frances H. Arnold) из Калифорнийского технологического института получила половину премии за метод направленной эволюции ферментов; Джордж Смит (George P. Smith) из Миссурийского университета и Грегори Уинтер (Gregory P. Winter) из Кембриджа вместе разделили другую половину премии за метод фагового дисплея в отборе пептидов и антител.

Великое таинство природы – эволюция, подвергается все более и более тщательному исследованию со стороны ученых занятых биотехнологиями. Если Дарвин обнаружил селекционный процесс, идущий естественным путем и назвал его естественным отбором, то он неоднократно обращал внимание и на его антипод – селекцию, благодаря которой появилось множество пород молочных коров и домашних собак.  Сегодня понимание механизмов работы ДНК позволяет осуществлять все те же селекционные действия в пробирке. Важно запустить механизм отбора – чтобы собрались такие генетические последовательности, которые реализуют тот или иной признак в организме.

Однако далеко не всегда нужна сборка целого организма – для целей химической промышленности иногда достаточно лишь одного соединения, которое этот организм вырабатывает. На этом пути и добились успехов нынешние лауреаты нобелевской премии.

Надо сказать, что, как это часто бывает, среди них нет самого главного первопроходца - первый шаг сделал голландский исследователь Виллем Штеммер (Willem P. C. Stemmer), который умер в 2013 году. Он ввел в искусственную эволюцию ферментов еще один природный процесс – перетасовку фрагментов ДНК между генами. Именно такая перетасовка делает столь эффективным механизм полового размножения, когда разные варианты одного и того же гена, обмениваясь собственными фрагментами, получают друг от друга те или иные мутации что резко повышает изменчивость белков, а значит и вероятность того, что среди них появляются такие, которые объединяют в сразу несколько нужных в данный момент мутационных признаков. Штеммер организовал тоже «смешение» генетического материала, которое достигается в результате полового акта и при отборе ферментов: он смешивал множество кусков ДНК, относящихся к одному и тому же белку, а ферменты постоянно соединяли их друг с другом. Затем получившиеся «оплодотворенные» гены подсаживали в бактерии и потом сравнивали варианты готовых белков.

Фрэнсис Арнольд с начала 80-х годов занимающаяся ферментами, решила использовать «половой» механизм Штеммера для получения нужных в химическом синетезе ферментов. Сейчас этот механизм получил название «лабораторной эволюции» ферментов, а на счету ее лаборатории уже масса белков, выполняющих самые разные химические реакции, которые не встречаются в природе.

История второй половины премии – за фаговый дисплей – тоже берет начало в первой половине 80-х годов, когда никто не знал, в каком месте генома закодированы белки. Джордж Смит предложил использовать для сборки белков гены бактериальных вирусов, или бактериофагов (или просто фагов), которые, как и любые другие вирусы, проникают в клетку и заставляют ее копировать геном вируса и синтезировать вирусные белки. Идея Смита состояла в том, чтобы в ДНК вируса вставить неизвестную ДНК. В результате в вирусной ДНК нужный белок будет закодирован рядом с белком самого вируса – лучше всего рядом с тем, который образует белковую оболочку вируса (капсид). Когда вирусная частица соберется, в оболочке вируса будет присутствовать нужный белок. Но как «поймать» вирусы, в которые попала ДНК именно с нужным белком? Эта «технология» в природе реализована с помощью антител – они реагируют именно на белок и его ДНК, остается только прочитать геном вируса и зная, какую добавку мы в него вставили окажется возможным вычислить нужный ген. Так появился метод фагового дисплея. Но у него есть и масса других приложений, кроме поиска соответствий между белками и генами.

Именно Грегори Уинтер — третий лауреат, приспособил этот метод для отбора антител. Механизмы иммунитета работают путем создания огромного разнообразия антител-иммуноглобулинов – работа механизма основана на том, что всегда найдется антитело, которое сможет связать неизвестной бактериальную или вирусную молекулу. Медики и биотехнологи давно «точили зубы» на иммуноглобулины способные крепко связывать значимые молекулы и не обращать внимания ни на какие другие. Уинтер ввел в геном вируса кусок ДНК, кодирующей человеческий иммуноглобулин – причем ту его часть, которая кодирует распознавание другой молекулы (программный комплекс свой--чужой). Это преобразованная идея фагового дисплея – ввести в вирус нужный белок, но теперь на поверхности вируса был фрагмент антитела. Для повышения эффективности Уинтер и его коллеги задействовали эволюционный процесс — встраивали в вирусную ДНК множество разных вариантов ДНК антител, так как у всех была разная эффективность. Запускали отбор по принципу – какие ДНК кодируют наиболее эффективные антитела и отбирали тех мутантов, которые оказались наиболее эффективными.

Отбор антител с помощью фагового дисплея быстро нашел применение в фармацевтической промышленности.  Уинтер с коллегами создали в 90-е годы антитела, которые успешно подавляли аутоиммунные процессы типа псориаза и ревматоидного артрита, а затем и дошло дело и до распознавания белков раковых клеток. По сравнению с ферментами, которые получают путем отбора в пробирке, технология «фагового дисплея» оказалась намного эффективнее.  Результативность – главный признако отбора в эволюции технологий – и вот вручена Нобелевская именно за результативность этого метода.

«Направленная эволюция химических молекул» — формулировка награждения лауреатов Нобелевской премии 2018 года. За этими строчками — основы новой технологии, которая вскоре сможет кардинально настолько изменить принципы химического синтеза, что давняя мечта о смене тренда цивилизации машин и механизмов на природоподобный путь биологического синтеза, может стать реальностью. Когда в качестве альтернативы цивилизации машинной рассматривается биоцивилизация, использующую естественные биологические процессы для создания всего необходимого для человеческого общества, то можно сказать – это Нобелевская вручена именно за первые технологические успехи, сделанные на этом пути.

Александр Самсонов