С помощью методов генной инженерии и антител исследователи могут использовать процесс направленной эволюции для создания полезных белков. Разработчики этой техники в настоящее время удостоены Нобелевской премии по химии.
Нобелевская премия по химии обратилась к трем ученым, которые использовали силу эволюции и ускорили ее в лаборатории для производства новых полезных ферментов, используемых в фармацевтических препаратах, возобновляемых источниках энергии, промышленной химии и многих других областях. Фрэнсис Х. Арнольд , профессор химического машиностроения в Калифорнийском технологическом институте, получила половину премии в этом году за то, что она первой искусственно направила эволюцию ферментов; в этом процессе она стала только пятой женщиной, получившей химию Нобеля. Джордж П. Смит , почетный профессор биологических наук в Университете Миссури, и Григорий П. Зима, почетный руководитель исследования в MRC Laboratory of Molecular Biology, поделился другой половиной премии за разработку техники, называемой фаговым дисплеем, которая использует направленную эволюцию для производства фармацевтически полезных ферментов.
«В течение тысяч лет мы, люди, использовали селекционную селекцию для создания животных и растений со свойствами, которые были полезны для нас. Нобелевские лауреаты этого года сделали следующий шаг », - сказал в своем выступлении в заявлении Клаус Густафссон , председатель Нобелевской комиссии по химии и биохимик из Университета Гетеборга. «При этом они смогли сделать эволюцию в тысячи раз быстрее, и они также смогли направить эволюцию для создания белков с новыми и полезными свойствами».
По словам Витора Пиньейру , синтетического биолога в Институте медицинских исследований Rega в Бельгии, «Лауреаты изложили некоторые из ранних принципов направленной эволюции белков и вдохновили многих, как и я, посмотреть на биологию как на гибкий холст, который может быть сформированы до желаемой функции ».Абстракции ориентируются на перспективные идеи в области науки и математики. Путешествуй с нами и присоединяйтесь к разговору.
Направленная эволюция вызвала революцию, поскольку она позволила исследователям подражать тому же процессу, который природа использовала для создания бесконечного разнообразия видов, которые наполняют мир. Своей теорией эволюции посредством естественного отбора Чарльз Дарвин определил, как итеративный процесс генетической мутации, отбора окружающей средой и распространения среди победителей мог бы на протяжении поколений позволить организму лучше решать сложные проблемы выживания. Точно так же химики-белки могут использовать искусственные процессы мутации и селекции, чтобы коаксировать живые клетки, чтобы найти биохимические решения проблем, которые трудно решить людям с помощью планирования или проб и ошибок.
«Люди использовали концепцию дарвиновской эволюции в течение тысяч лет с селекционным размножением», - сказал Стефан Лутц , председатель химического факультета Университета Эмори. «Направленная эволюция берет тот же принцип и применяет его к лаборатории».
К 1970-м годам многие ученые мечтали, что новые технологии генной инженерии могут когда-нибудь использоваться для создания новых белков с исключительными способностями, таких как ферменты, которые могут ускорить производство лекарств. Но препятствие для этого было огромным. «Дизайн белков был академическим упражнением. Наши вычислительные методы не были достаточно сложными, чтобы сделать его практичным для проектирования белков », - считает Луц.
В 1980-е годы Арнольд пытался и не смог переделать субтилизин, бактериальный фермент с разнообразными коммерческими приложениями, чтобы он мог работать в растворителях, кроме воды. В конце концов она отказалась от этого подхода в пользу более эволюционного подхода, в котором она неоднократно вызывала мутации в бактериях, проверяла их на желаемые черты, а затем разводила их больше. К 1993 году ей удалось сделать фермент в 256 раз более эффективным, чем это было.
«Проницательность Фрэнсиса заключалась в том, чтобы признать, что самые удивительные молекулы в мире не были созданы химиками, а скорее биологическим миром», - сказал Джесси Блум , вычислительный биолог в Исследовательском центре рака Фреда Хатчинсона и бывший ученик Арнольда. «Большинство ученых привыкли думать об эволюции с точки зрения окаменелостей давно мертвых существ, а химическая инженерия - это нечто, что связано с синтетическими химическими веществами в лаборатории». Идея применения эволюционной биологии к проблемам химии и биотехнологии, по его словам, был настоящим прыжком ».
Значительная часть успеха направленной эволюции в химии зависела от поиска более эффективных способов создания и скрининга полезных форм новых белков. Основы этого были заложены в 1985 году, когда Смит продемонстрировал способ использования бактерий и простых вирусов, называемых фагами, для выделения генов для целевых белков. Он связал гены, представляющие интерес для собственного гена вируса фага, для его белковой капсулы. С помощью антител он мог затем изолировать любые фаги, которые сделали белковую мишень.
В последние годы было разработано еще много методов направленной эволюции, но новаторский вклад Арнольда, Смита и Зимы, наряду с другими учеными, которые помогли развить эту область, по-прежнему заслуживает уважения. Арнольд по-прежнему работает над дальнейшим применением направленной эволюции к фармацевтическим исследованиям и возобновляемым источникам энергии.
«[Их] новаторская работа позволила и вдохновила исследователей во всем мире использовать силу естественного отбора для белковой инженерии», - сказала Дженифер Р. Кокран , биохимик из Стэнфордского университета, по электронной почте. Их методы стали «основой биотехнологической и фармацевтической промышленности, что еще больше подчеркивает их общественное и коммерческое воздействие».