Premiul Nobel pentru Chimie 2018: producerea de anticorpi și enzime prin procesul de evoluție controlată
Al treilea premiu Nobel anunțat onorează descoperirile remarcabile din Chimie. Anul acesta au fost recunoscute meritele a trei cercetători care au contribuit la dezvoltarea biochimiei: Frances H. Arnold, George P. Smith și Sir Gregory P. Winter.
sursa: nobelprize.org
Despre laureați
Frances H. Arnold, născută în 1956 în SUA, este cercetător și profesor de Inginerie Chimică la Institutul de Tehnologie din California, SUA (CalTech). Aceasta a efectuat studiile la Universitatea din California, Berkley, SUA.
George P. Smith, născut în 1941 in SUA, este Profesor la Universitatea din Missouri, Columbia, SUA și a absolvit studiile la Harvard University, Cambridge, SUA.
Sir Gregory P. Winter, născut în 1951 în Marea Britanie. A absolvit studiile doctorale la Universitatea din Cambridge, Marea Britanie și este Cercetător la Laboratorul de Biologie Moleculară din Cambridge.
Teoria evoluției este un mecanism prin care toate formele de viață existente pe Pământ au apărut și s-au adaptat la mediul înconjurător. Prin evoluție și adaptare, forme de viață variate au populat cele mai improbabile și periculoase ecosisteme, precum oceanele adânci sau apele termale. Această adaptare nu ar fi posibilă fără evoluția permanentă a substanțelor chimice din interiorul celulelor- proteine cu diverse funcții, precum enzimele.
Procesul de evoluție poate fi imitat și în laborator- prin selecția genetică controlată a unor bacterii, cercetătorii care au primit premiul Nobel anul acesta au putut crea molecule utile în tratamentul multor boli.
Evoluția controlată a enzimelor
Frances H. Arnold a efectuat în 1993 primele experimente în evoluția controlată a bacteriilor, care pot astfel produce enzime. Enzimele sunt proteine care au rolul de a cataliza reacții în celulă. Metoda dezvoltată de Arnold este astăzi utilizată pentru a produce enzime utilizate în industria farmaceutică și în cea a combustibililor „verzi”.
Procedeul de selecție controlată implică alegerea unei enzime deja existente, ale cărei proprietăți și funcție trebuie modificate. Inițial a fost utilizată subtilisina, o enzimă care digeră caseina (o proteină din lapte) doar dacă se află în apă. Inițial, Arnold dorea să deteremine subtilisina să catalizeze această reacție într-un alt mediu, într-un solvent organic. Astfel, a modificat ADN-ul care formează gena pentru subtilisină să producă mai multe variante mutante ale genei. Ulterior, a introdus aceste gene în bacterii care au produs numeroase variante de subtilisină. Toate au fost testate în solventul organic, iar varianta care a funcționat cel mai bine a fost selectată, gena corespunzătoare a fost mutată iar procesul s-a repetat. În a treia generație, după introducerea a 10 mutații aleatorii, enzima are o capacitate de 256 ori mai mare de a cataliza decât enzima inițială.
Utilizarea bacteriofagilor
Al doilea exemplu de evoluție controlată pentru care s-a decernat premiul Nobel pentru Chimie în 2018 este o metodă ce utilizează bacteriofagii.
Ce înseamnă bacteriofag? Un bacteriofag este un virus cu capacitatea de a infecta anumite bacterii. Acesta are un material genetic simplu, pe care îl injectează în bacterie și o determină să transcrie din materialul genetic proteinele necesare replicării virale.
Pe această proprietate a anumitor virusuri se bazează această metodă, denumită „expunerea la fagi”. Se utilizează un fragment de ADN (despre care nu se știe ce proteină produce) care este fuzionat cu materialul genetic al bacteriofagului. Acesta infectează o bacterie, se produc proteinele care se asamblează în capsula fagului iar proteina care trebuie descoperită se află pe suprafața capsulei.
Rolul anticorpilor
După ce a demonstrat această capacitate, Smith a introdus anticorpii în acest procedeu.
Ce sunt anticorpii? Aceștia sunt proteine specializate, în formă de Y. Cele două brațe conțin în capăt o structură specială care poate recunoaște în mod specific o anumită proteină. Calitatea principală a anticorpilor este, deci, specificitatea lor înaltă față de o singură proteină. În organismul uman aceștia au rol în imunitate- recunosc proteinele non-self (din infecții sau tumori) și ajută la distrugerea lor.
Smith a proiectat o metodă prin care într-o soluție se afla numeroși fagi produși în modul explicat anterior, care prezintă fiecare pe suprafața lor o anumită proteină. Dacă se introduce un anticorp în această soluție, acesta poate identifica precis proteina căreia îi este specific.
„Expunerea la fagi” în producerea de medicamente
Acest procedeu dezvoltat de Smith a fost adoptat de Winter pentru a dezvolta medicamente. Datorită specificității, se cunoștea de pe atunci că anticorpii au potențialul de a deveni medicamente foarte eficiente și sigure.
Dezvoltarea lor pornește de la cunoașterea proteinei care trebuie „atacată” pentru a trata boala. În bacteriofag se introduce ADN-ul ce poate transcrie un anticorp. Se produc numeroși bacteriofagi diferiți, prin introducerea de mutații în ADN-ul anticorpului. După infectarea bacteriilor, avem o soluție în care se află numeroși bacteriofagi cu diferiți anticorpi pe suprafață. Se introduce proteina ce se dorește a fi țintită și se selectează anticorpul care se atașează de ea cel mai exact.
Acest anticorp este supus evoluției controlate, iar în câteva generații se obține un anticorp cu o specificitate înaltă pentru proteina-țintă.
Primul asemenea anticorp dezvoltat este adalimumab, aprobat în 2002, care este specific unei proteine (TNF alfa) implicate în atacul sistemului imun contra celulelor normale ale organismului. Este folosit în boli autoimune și inflamatorii precum artrita reumatoidă, psoriazis și bolile inflamatorii intestinale.
„Expunerea la fagi” a fost utilizată și pentru a dezvolta terapii țintite oncologice, un vaccin contra antraxului, iar terapii contra boala Alzheimer’s sunt în dezvoltare.
Citește și:
- #EADV2018. Date despre biosimilarul de adalimumab, Cyltezo, la pacienții cu psoriazis în plăci
- Premiul Nobel pentru Medicină 2018: înțelegerea mecanismelor prin care sistemul imun luptă împotriva cancerului
- Premiul Nobel pentru Chimie 2017: microscopia crio-electronică, descoperirea care a ajutat la înțelegerea rezistenței la antibiotice și la descifrarea virusului Zika