Komentarz prof. dr hab. inż. Macieja Bagińskiego z Wydziału Chemicznego Politechnika Gdańskiej, odnośnie tegorocznej nagrody Nobla w dziedzinie chemii.
Podczas ogłoszenia kapituła powiedziała, że tegoroczni laureaci “przekuli teorię Darwina w czyn”, przynosząc ludzkości ogromne korzyści. Czy mógłby pan pokrótce opowiedzieć co zyskaliśmy dzięki ukierunkowanej ewolucji enzymów?
Zacznijmy od tego, że tegoroczna nagroda faktycznie jest z chemii, ale tak naprawdę dotyka ona dokonań z obszaru biotechnologii. To również jest chemia i wszystkie czynne biologicznie białka działają w oparciu o chemiczne zasady, niezależnie czy coś produkują czy na przykład przerabiają naszą żywność. Nagrodzone zostały dwa obszary: pierwszy dotyczy kontrolowanej ewolucji enzymów, a drugi dotyczy odkrycia metody fagowej ekspresji peptydów, wykorzystywanej do otrzymywania np. przeciwciał, które mogą być użyte w leczeniu chorób. Pierwsza część nagrody dotyczy zasad działania ewolucji. Skorzystano z tego, że następują mutacje w materiale genetycznym, co prowadzi później do produkcji nowych enzymów o innych właściwościach oraz selekcji naturalnej. Te enzymy, które są przystosowane do konkretnych warunków wygrywają w tym wyścigu i przechodzą do następnych pokoleń, czyli klasyczna darwinowska ewolucja. Tak to się pokoleniowo dzieje, więc wykorzystano ideę, że ewolucja może samodoskonalić różne organizmy. Wtedy też zaczęto modyfikować materiał genetyczny, który został wprowadzony do bakterii i produkował białka istotne z punktu widzenia biotechnologicznego, przetwarzające np. biomasę na paliwo czy też utylizujące zużyte rzeczy pochodzenia naturalnego. Przez selekcję naturalną i wprowadzanie cyklicznie różnych mutacji w materiale genetycznym i sprawdzaniu czy to ulepszyło działanie danego enzymu, doprowadzono do tego, że zaczęto tworzyć takie enzymy i żeby bakterie produkowały takie znacznie efektywniejsze enzymy. Takie działanie poniekąd przyspieszanie ewolucji. Selekcję robiono laboratoryjnie, ponieważ pośród setek lub tysięcy tych mutacji były pogarszające sytuację. Pośród nich jednak były takie, które akurat były w stanie stworzyć enzymy, które mogły wydajniej pracować nad przetworzeniem jakiegoś surowca, na przykład w kierunku biopaliwa lub przetwarzać odpady. Właśnie za tą pionierską pracę sprzed lat, została nagrodzona Pani Arnold.
A czym jest “metoda fagowej ekspresji peptydów” i jak działa ta metoda?
George P. Smith i Gregory P. Winter otrzymali nagrodę za opracowanie tej metody i wykorzystanie jej do selekcji przeciwciał, które mogłyby być używane do różnych celów. Chodzi w tym o to, że nasz system odpornościowy ma zdolność do produkowania bardzo dużej ilości przeciwciał, które będą skierowane przeciw jakiemuś zagrożeniu. Do tego musi być pobudzony i wiedzieć z czym ma walczyć. Więc korzystając z metody fagowej ekspresji peptydów, wklonowywali białka będące antygenami do fagów, które później mogły je eksponować na powierzchni i następnie wyszukiwać takie przeciwciała i następnie używać do konkretnych celów. Spróbowano to zastosować przy leczeniu pewnych nowotworów i okazało się skuteczne tyle, że to również nie jest idealna metoda, ponieważ niektóre typy nowotworów były odporne na takie działanie. Mówiąc prosto, w tym roku nagrodzono różne podejścia, które odkryto i skorzystano z tego, że już w ewolucji są mechanizmy, które doskonalą i tworzą narzędzia zdolne tworzyć co będzie lepsze dla naszego organizmu, niezależnie czy dotyczy to obrony przed chorobą czy podnoszenia wydajności życia. Warto jednak dodać, że te wszystkie opisane i wykorzystane metody nie ograniczają się wyłącznie do chemii czy biologii, ale tak ogólnie należą do dziedziny biotechnologii.
W jakim kierunku zmierza rozwój tych metod?
Ukierunkowana modyfikacja enzymów jest już wykorzystywana na szeroką skalę w przemyśle. Tegoroczny Nobel jest tak naprawdę nagrodą post-factum, ponieważ już od lat stosuje się to rozwiązanie w różnych dziedzinach i wariantów ich stosowania cały czas przybywa. Chodzi też o to, aby poprawić ekonomię niektórych procesów, aby tworzyć metody wykorzystywania innych enzymów czy też w innych warunkach np. temperatury. Natomiast metoda fagowej ekspresji peptydów jest wciąż nauką eksperymentalną. Badania na ludziach z wykorzystaniem przeciwciał otrzymanych tą metodą to nie jest kwestia roku czy dwóch, więc wszystko idzie bardzo powoli, a przeprowadzanie i wdrażanie kolejnych terapii to jest bardzo długoletni proces, mogący nawet trwać do dziesięciu lat. W związku z tym tutaj cały czas się testuje. Z resztą samo użycie tych przeciwciał nie oznacza od razu wyleczenia potencjalnej choroby nowotworowej. W drugim aspekcie tegorocznej nagrody jest zdecydowanie więcej do zrobienia, więcej znaków zapytania i będzie musiało być prowadzone testowane na wielu kolejnych chorobach. Kwestia ekonomii też będzie wymagać rozwiązania, ponieważ te terapie są wciąż eksperymentalne, a nawet jak “wyjdą z laboratoriów”, to są ekstremalnie drogie i niedostępne dla większości chorych. Mimo tego, duża ilość metod, w ciągu ostatnich kilkunastu lat, weszła do obiegu medyczno-terapeutycznego i tegoroczny Nobel jest wyróżnieniem tych wieloletnich starań.