Oponašanje evolucije? Ja sam inženjerka, nisam gospodin i nisam imala problema s istraživanjem na rubu znanosti, rekla je Arnold

Zahvaljujući tehnikama koje oponašaju evoluciju a za koje su Arnold, Winter i Smith dobili ovogodišnju Nobelovu nagrada za kemiju, u posljednjih su petnaestak godina razvijena protutijela za borbu protiv artritisa, lupusa i raznih vrsta karcinoma

• Naslovna fotografija: Dobitnici ovogodišnje Nobelove nagrade za kemiju, Winter, Arnold, Smith

• Autor je postdoktorand na praškom Institutu za organsku kemiju i biokemiju

Nobelovu nagradu iz kemije za 2018. godinu podijelilo je troje znanstvenika, što se ustalilo kao praksa u posljednjih desetak godina. Polovicu nagrade dobila je Frances H. Arnold s Caltecha za usmjerenu evoluciju enzima, a drugu polovicu 9 milijuna švedskih kruna podijelili su George P. Smith (University of Missoury‑Columbia) i Sir Gregory P. Winter (Cambridge), za tehniku prikaza peptida na površini faga (phage display).

Zajedničko ovogodišnjim dobitnicima je korištenje tehnika koje oponašaju evoluciju za razvoj proteina koji su rezultirali u novim lijekovima, ali i industrijski bitnim spojevima kao što su biogoriva.

Proteinsko inženjerstvo

Proteini su specijalizirani molekularni strojevi koji obavljaju mnoge poslove u organizmima svih živih bića – od transporta molekula u stanicu (proteinske pumpe), prevođenja i replikacije DNA, do katalize raznih kemijskih reakcija (enzimi) te brojnih drugih zadaća. Upute za sastavljanje proteina zovemo genima.[1] Proučavanje i modificiranje (inženjerstvo) proteina vrlo je komplicirano – njihova struktura produkt je milijuna godina evolucije, a gradivni blokovi genskih uputa (parovi dušičnih baza u DNA ili RNA) i samih proteina (aminokiseline) vrlo su različiti.[2] Na upuštanje u takvo područje, s obećanjima dizajna „proteina boljih od prirode“, u početku se gledalo s podsmijehom. Ovako Frances Arnold, u intervjuu iz 2014., opisuje svoj početak rada u području proteinskog inženjerstva:

„Prije dvadeset pet godina, to je bilo na rubu znanosti. Znanstvenici to nisu radili. Gospoda to nisu radila. Ali ja sam inženjerka, i nisam gospodin, pa nisam imala problema s tim.“

No, Frances je uspjela, i tako prekinula devetogodišnju dominaciju muškaraca u kemijskim Nobelima.

Dođe li do mutacije u DNA uputstvu za sastavljanje, nastali protein najčešće će izgubiti funkciju – otprilike kao da prilikom sastavljanja IKEA ormara montirate vrata na suprotnu stranu. U nekim slučajevima, protein će bez obzira na mutaciju funkcionirati jednako dobro ili tek malo lošije – slično kao i da zaboravite staviti jednu od mnogih drvenih tipli u ormar, ili zamijenite dva različita šarafa. No, u vrlo rijetkim slučajevima protein će zbog mutacije funkcionirati bolje negoli bez nje – kao da u ključni dio vašeg ormara stavite dodatni potporanj za stabilnost! Tako nekako funkcionira i evolucija – korisne mutacije imaju veću šansu da budu naslijeđene od beskorisnih, dok štetne smanjuju šansu da će organizam poživiti dovoljno da ima potomke.

Ovogodišnja dobitnica Frances Arnold osmislila je tehniku usmjerene evolucije enzima, koja putem induciranja mutacija omogućuje modifikaciju njihove funkcije u smjeru kojem želimo. Pomoću te tehnike možemo dizajnirati efikasnije enzime (koji, na primjer, brže proizvode biogoriva) ili promijeniti njihovu funkciju, čineći ih otpornijima na inhibitore (otrove) ili promijeniti raspon njihovog djelovanja na veći ili mali broj supstrata (smanjujući neželjene nuspojave).

Tehnika usmjerene evolucije enzima, prikazana na doljnjoj slici, temelji se na (1.) unošenju nasumičnih mutacija na genu koji se želi promijeniti. Zatim se tako mutirani geni ubacuju u „tvornice“ (bakterije), koje produciraju velike količine različitih varijanti enzima (2.). Ti enzimi se zatim testiraju (3.) kako bi se ustanovilo koja mutacija rezultira u traženim performansama – većina završava u smeću, a najefikasnije varijante vraćaju se na daljnje usavršavanje (4.).

Prikaz na površini faga (phage display)

Bakteriofagi su virusi koji napadaju (grč. φαγεῖν, proždirati) bakterije, a tradicionalno su zanimljivi kao alternativa antibioticima. Osnovni dio njihove strukture je proteinska „glava“ unutar koje se nalazi njihov relativno skromni genetski materijal. George P. Smith 1985. imao je genijalnu ideju – ubaciti nešto novog genetskog materijala u fag (1.) i vidjeti kako će se to odraziti na strukturu glave. U tome je i uspio: peptid kodiran ubačenim genetskim materijalom fag je ponosno prikazao na svojoj glavi (2.), kao perjanicu na kacigi. Tako je nastala tehnika modifikacije ovojnice faga, odnosno prikaza na površini faga. Ona nam omogućuje da testiramo djelotvornost različitih protutijela na tim prikazanim djelićima proteina (3.), što drugačije nije lako napraviti.

U raspravama o znanstvenim istraživanjima često se postavlja pitanje konkretne primjene rezultata nekog istraživanja. Istina je da velika većina rezultata nema direktnu (široku) primjenu, već služi tek kao međukorak u idućim istraživanjima. Tako je Sir Gregory Winter iskoristio ova dva prethodno opisana gradivna bloka – usmjerenu evoluciju enzima i modifikaciju ovojnice faga – kako bi dizajnirao nova protutijela.

Tehnika Sir Wintera počinje ubacivanjem gena za protutijelo u DNA faga (1.). Budući da sada fag sastavlja antitijelo prema ubačenoj (dobivenoj?) instrukciji, moguće je isprobati čitav niz različitih protutijela, odnosno sastaviti čitavu zbirku. Zatim, testira se djelotvornost vezanja protutijela na ciljno mjesto (2.). Dobar odabir ciljnog mjesta omogućuje „pametno“ djelovanje protutijela – na primjer, osigurava njihovo vezanje na tumorske stanice, ali i ignoriranje normalnih stanica. Zatim u priču ulazi usmjerena evolucija (3). – protutijela se tehnikom Frances Arnold poboljšavaju na način da im se povećava afinitet za ciljno mjesto, ali i specifičnost vezanja (4.).

Korištenjem ove tehnike u posljednjih petnaestak godina razvijena su protutijela za borbu protiv artritisa, lupusa i raznih vrsta karcinoma, koja danas nalaze široku primjenu.[3] Jednu od prvih uspješnih primjena takvih monoklonskih (nastalih kloniranjem iz najuspješnijeg kandidata) Sir Winter je komentirao ovako:

„(razgovor s pacijenticom)… me natjerao na razmišljanje: Ta žena nije mogla učiniti ništa oko svoje bolesti. Međutim, kao znanstvenik, ja jesam mogao učiniti nešto – napraviti razliku.[4]“

George Smith za Associated Press ovako je komentirao vijest da je dobio nagradu:

„Vrlo mali broj velikih znanstvenih otkrića je nov. Praktički sva nastaju tek nadgradnjom na prethodna istraživanja. To (dobivanje nagrade, op.a.) je slučajnost (happenstance). Tako je bilo i s mojim radom. Moja ideja je pripadala liniji istraživanja koja se gradila vrlo prirodno na drugim, prethodnim istraživanjima.“

Za kraj, važno je istaknuti kako su ova otkrića kulminacija brojnih uspješnih, ali i manje uspješnih znanstvenih projekata i radova u kojima su sudjelovale stotine, ako ne i tisuće znanstvenika i liječnika. Oni su mapirali put, pronašli tjesnace koje valja istraživati i hridine kojih se treba kloniti, te na taj način omogućili ovim nobelovcima da uz izvrsne ekipe, jako puno truda i malo sreće pronađu luku sa (švedskim) blagom.

[1] Ovo je pomalo pojednostavljeno; trenutna definicija gena je „segment DNA koji doprinosi fenotipu/funkciji“ ili „osnovna fizička i funkcionalna jedinica nasljeđivanja“. Dakle, neki geni kodiraju proteine, a neki ne.

[2] Različiti jezici DNA i proteina dugi su niz godina činili intervencije na točno određenim mjestima na DNA vrlo teškima – kako natjerati protein (sastavljen od aminokiselina) da se veže na točno određeno mjesto na DNA (parovi dušičnih baza). Genijalno rješenje tog problema nudi tehnika CRISPR-CAS, o kojoj smo prethodno i pisali.

[3] Recentan pregled pregled protutijela razvijenih tehnikom phage displaya čitatelj može pronaći u članku Designing Human Antibodies by Phage Display, čiji je puni tekst dostupan na poveznici: https://www.karger.com/Article/FullText/479633

[4] Cijeli intervju dostupan je na poveznici: https://www.youtube.com/watch?time_continue=81&v=QHzN19X5sk4