Мільярд років еволюції протягом тижня. Сенс Нобелівської премії з хімії у 100 та 500 словах

Як було зазначено на церемонії, ці вчені "взяли еволюцію під контроль, щоб принести людству найбільшу користь". Розроблена ними технологія виробництва нових білків широко використовується у медицині, а й у промисловості.

"Ця галузь науки давно зачекала свого Нобеля", - стверджує професор біохімічної інженерії Університетського коледжу Лондона Пол Долбі.

То що саме вони винайшли? Російська служба Бі-бі-сі коротко (у 100 словах) і трохи докладніше (у 500 словах) пояснює, у чому суть революційного відкриття.

"Неприродний відбір"

Принцип еволюції простий. Під впливом зовнішнього середовища організми змінюються (мутують) - і ці зміни відбуваються в ДНК, тобто в генетичному коді клітин.

Якщо це допомагає організму вижити, то змінену ДНК успадковують його нащадки - і зміни закріплюються генетично. Якщо ні, організм гине. Так відбувається природний відбір.

Френсіс Арнольд вигадала, як імітувати цей процес і фактично спрямовувати еволюцію. Вона розробила технологію, яка дозволяє вносити зміни до ДНК, де закодовано інформацію для виробництва "біологічних будматеріалів" організму.

В результаті клітина починає виробляти нові, раніше не існували ферменти (ензими) - тобто білки, які прискорюють хімічні реакції і можуть бути використані в різних цілях.

А Сміт і Вінтер навчилися використовувати оболонку вірусів (бактеріофагів), що харчуються бактеріями, для відображення нових білків.

Закодовані вченими протеїни виводяться туди, як на екран, саме тому їхній метод отримав назву "фаговий дисплей".

Як взяти еволюцію під контроль

Своє революційне відкриття Френсіс Арнольд зробила 1993 року. Тоді їй вперше вдалося провести експеримент в області спрямованої еволюції і змусити клітину виробляти нові ферменти, що раніше не існували.

Спочатку зміни в ділянки ДНК, що кодують білки, вносяться досить хаотично - щоб просто подивитися на результат.

Потім включається процес "неприродного відбору": з усіх вироблених модифікованих ферментів відбираються ті, що можуть бути використані з якоюсь метою. Наприклад, працюватимуть у середовищі, де було б марним вихідний білок.

У міру вивчення нових "еволюційних" ензимів стають очевидні деякі закономірності, і досить скоро в гени вже можна вносити осмислені зміни, заздалегідь передбачаючи результат, що вийшов.

Простіше кажучи, шляхом спроб і помилок Арнольд фактично створила універсальну біологічну мікрофабрику, навчившись програмувати клітини для виробництва білків з потрібними їй властивостями.

Зараз саме так одержують нові ензими по всьому світу. З їх допомогою створюються нові ліки, нові види екологічно чистого біопалива та багато іншого.

"Люди давним-давно використовували ферменти у виробництві - але тільки ті, що вже й так існували в природі і лише випадково відкрили свої корисні властивості, - пояснює професор Університетського коледжу Лондона Пол Долбі. - Таких було дуже мало, а змусити їх працювати у промислових". умовах було дуже важко".

"Тепер, завдяки роботам Арнольд, ми можемо самостійно змінювати ензими, адаптуючи їх до роботи у промислових масштабах – а не просто у масштабах клітини".Фактично ми вкладаємо процес еволюції, який зазвичай займає мільйони або навіть мільярди років, у рамки буквально одного тижня, а то й менше", - пояснює він.

Як обдурити вірус

Джордж Сміт і Грегорі Вінтер також вигадали, як "обманювати еволюцію", рухаючи її в потрібному напрямку. Вони навчилися прицільно змінювати ділянки ДНК вірусу, де закодована інформація про його оболонку.

В результаті вірус перетворюється на своєрідний "екран", відображаючи потрібний білок на поверхні. Потім вірус заражає бактерію – і та починає виробляти цей білок на постійній основі.

Ця техніка, що отримала назву "фаговий дисплей", дозволяє отримувати нові антитіла – великі білки, за допомогою яких наша імунна система бореться з інфекціями. А на їх основі – створювати нові лікарські препарати.

Перші ліки, отримані за допомогою цієї методики, пройшли клінічні випробування і схвалили ще в 2002 році. Воно відкрило нові горизонти у лікуванні ревматоїдного артриту, псоріазу та запаленні кишечника. Препарат отримав назву "Хуміру" (адалімумаб) і давно широко використовується по всьому світу.

І це був лише початок. З того часу на основі тієї ж технології були створені препарати, які можуть нейтралізувати токсини, боротися з раніше невиліковними аутоімунними захворюваннями та навіть лікувати метастази раку.

"Практично будь-яке сучасне лікування засноване на застосуванні антитіл і використовує технології на кшталт фагового дисплея, - каже професор Долбі. - Це абсолютно фундаментальна розробка. І якби до цього не здогадався Джордж Сміт, цього не сталося б ніколи".

В одному з інтерв'ю Вінтер розповідав про одну свою хвору на рак пацієнтку, якій він був змушений зізнатися: він гадки не має, чи спрацює новий метод лікування. У відповідь вона сказала йому: "Він повинен подарувати мені хоча б пару місяців. Мій чоловік помирає, і я хочу бути з ним, коли це станеться".

У результаті лікування виявилося настільки успішним, що пухлина зникла повністю.