Нобелевскую премию по химии получили американка Фрэнсис Арнольд и ее коллега Джордж Смит и британец Грегори Винтер - за свои открытия в области направленной эволюции и создание новых белков.
Как было сказано на церемонии, эти ученые "взяли эволюцию под контроль, чтобы принести человечеству наибольшую пользу". Разработанная ими технология производства новых белков широко используется не только в медицине, но и в промышленности.
"Эта отрасль науки давно заждалась своего Нобеля", - утверждает профессор биохимической инженерии Университетского колледжа Лондона Пол Долби.
Принцип эволюции прост. Под воздействием внешней среды организмы изменяются (мутируют) - и изменения эти происходят в ДНК, то есть в генетическом коде клеток. Если это помогает организму выжить, то измененную ДНК наследуют его потомки - и изменения закрепляются на генном уровне. Если нет, организм погибает. Так происходит естественный отбор.
Фрэнсис Арнольд придумала, как имитировать этот процесс и фактически направлять эволюцию. Она разработала технологию, которая позволяет вносить изменения в ДНК, где закодирована информация для производства "биологических стройматериалов" организма. В результате клетка начинает производить новые, ранее не существовавшие ферменты (энзимы) - то есть белки, которые ускоряют химические реакции и могут быть использованы в самых разных целях.
А Смит и Винтер научились использовать оболочку питающихся бактериями вирусов (бактериофагов) для отображения новых белков. Закодированные учеными протеины выводятся туда, как на экран, именно поэтому их метод получил название "фаговый дисплей".
Свое революционное открытие Фрэнсис Арнольд сделала в 1993 году. Тогда ей впервые удалось провести эксперимент в области направленной эволюции и заставить клетку производить новые, ранее не существовавшие ферменты. Сначала изменения в участки ДНК, кодирующие производимые белки, вносятся довольно хаотично - чтобы просто посмотреть на результат. Затем включается процесс "неестественного отбора": из всех произведенных модифицированных ферментов отбираются только те, что могут быть использованы с какой-то целью. Например, будут работать в среде, где был бы бесполезен исходный белок.
По мере изучения новых "эволюционных" энзимов становятся очевидны некоторые закономерности, и довольно скоро в гены уже можно вносить осмысленные изменения, заранее предсказывая получившийся результат.
Проще говоря, методом проб и ошибок Арнольд фактически создала универсальную биологическую микрофабрику, научившись программировать клетки для производства белков с нужными ей свойствами.
Сейчас именно так получают новые энзимы по всему миру. С их помощью создаются новые лекарства, новые виды экологически чистого биотоплива и многое другое.
"Люди давным-давно использовали ферменты в производстве - но только те, что уже и так существовали в природе и лишь случайно открыли свои полезные свойства, - поясняет профессор Университетского колледжа Лондона Пол Долби. - Таких было очень мало, а заставить их работать в промышленных условиях было крайне тяжело".
"Теперь, благодаря работам Арнольд, мы можем самостоятельно изменять энзимы, адаптируя их к работе в промышленных масштабах - а не просто в масштабах клетки. Фактически мы укладываем процесс эволюции, который обычно занимает миллионы или даже миллиарды лет, в рамки буквально одной недели, а то и меньше", - объясняет он.
Джордж Смит и Грегори Винтер также придумали, как "обманывать эволюцию", двигая ее в нужном направлении. Они научились прицельно изменять те участки ДНК вируса, где закодирована информация о его оболочке. В результате вирус превращается в своеобразный "экран", отображая нужный белок на своей поверхности. Затем вирус заражает бактерию - и та начинает производить этот белок на постоянной основе.
Эта техника, получившая название "фаговый дисплей", позволяет получать новые антитела - крупные белки, при помощи которых наша иммунная система борется с инфекциями. А на их основе - создавать новые лекарственные препараты.
Первое лекарство, полученное при помощи этой методики, прошло клинические испытания и было одобрено еще в 2002 году. Оно открыло новые горизонты в лечении ревматоидного артрита, псориаза и воспалении кишечника. Препарат получил название "Хумира" (адалимумаб) и давно широко используется по всему миру. И это было только начало. С тех пор на основе той же технологии были созданы препараты, которые могут нейтрализовывать токсины, бороться с ранее неизлечимыми аутоимунными заболеваниями и даже лечить метастазы рака.
"Практически любое современное лечение основано на применении антител и использует технологии вроде фагового дисплея, - говорит профессор Долби. - Это совершенно фундаментальная разработка. И если бы до этого не додумался Джордж Смит, этого бы не произошло никогда".
В одном из интервью Винтер рассказывал об одной своей больной раком пациентке, которой он был вынужден признаться: он понятия не имеет, сработает ли новый метод лечения. В ответ она сказала ему: "Он должен подарить мне хотя бы пару месяцев. Мой муж умирает, и я хочу быть с ним, когда это произойдет". В итоге лечение оказалось настолько успешным, что опухоль исчезла полностью.