Hadiah Nobel Kimia untuk evolusi terbimbing

Produksi enzim dan antibodi menggunakan alam

Gunakan prinsip evolusi untuk produksi enzim dan antibodi yang ditargetkan. © Johan Jarnestad / Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia
membacakan

Bakteri dan fag sebagai penolong: Hadiah Nobel Kimia tahun ini jatuh kepada tiga peneliti yang telah memanfaatkan prinsip-prinsip evolusi biologis untuk pengembangan enzim dan antibodi baru. Frances Arnold mengembangkan metode untuk menyesuaikan enzim dengan mengubah cetak biru genetik mereka. George Smith dan Sir Gregory Winter menggunakan fag, virus yang menginfeksi bakteri, sebagai penolong untuk produksi protein dan antibodi baru.

Sejak pembentukan sel-sel hidup pertama sekitar 3, 5 miliar tahun yang lalu, kehidupan di planet kita terus berkembang. Seiring waktu, tidak hanya cetak biru organisme telah menjadi lebih kompleks, juga pada tingkat sel dan evolusi metabolisme telah menyebabkan alat molekuler baru. Mutasi dan seleksi menghasilkan bentuk yang lebih dan lebih efektif, terutama untuk protein, "workhorses" dari mesin sel.

Prinsip evolusi pada tingkat seluler inilah yang telah dieksploitasi oleh ketiga pemenang penghargaan. Mereka menggunakan mekanisme genetik modifikasi cetak biru dan seleksi untuk membuat enzim yang dibuat khusus, serta peptida dan antibodi, atau bahkan lebih baik, membuatnya.

Frances Arnold: Enzim dari bengkel alam

Setengah dari Hadiah Nobel untuk Kedokteran tahun ini jatuh kepada peneliti AS Frances Arnold. Sir meneliti pada 1980-an tentang produksi enzim. Dalam semua makhluk hidup dan sel, protein ini bertindak sebagai katalis biologis. Masalahnya, bagaimanapun, adalah bahwa enzim itu sangat kompleks dan dapat terdiri dari ribuan asam amino. Jenis dan susunan tiga dimensi mereka menentukan fungsi apa yang diberikan enzim.

Prinsip evolusi terarah menuju produksi enzim © Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Tujuan membangun enzim dari bawah ke atas sedemikian rupa sehingga ia menyampaikan reaksi kimia yang diinginkan karena itu sangat memakan waktu dan membosankan dengan metode kimia murni. Arnold juga mengenali hal ini dan memilih pendekatan baru: dia tidak mencoba untuk secara kimia menyesuaikan enzim yang ada dengan tujuannya, tetapi mengubah cetak biru biologisnya - DNA. pameran

Dia mengusulkan mutasi acak dalam kode gen untuk enzim subtilisin, yang antara lain dapat memecah protein susu casein. Tujuan mereka: Untuk membuat varian enzim ini yang memiliki kemampuan ini tidak hanya dalam larutan air, tetapi juga dalam pelarut organik. Untuk ini, Arnold menginfiltrasi cetak biru DNA yang diubah secara acak ke dalam sel bakteri dan memungkinkan mereka untuk memproduksi varian enzim. Arnold kemudian menguji enzim termodifikasi mana yang paling efektif mengkatalisasi reaksi yang mereka inginkan dan melanjutkan "pengembangbiakan" mereka dengan varian DNA ini. Dengan sukses: Dia mengidentifikasi sepuluh mutasi dalam cetak biru subtilisin, yang memberi enzim properti yang diinginkan.

Sejak itu, metode Arnold berbasis DNA, mengarahkan evolusi varian enzim baru telah menjadi salah satu metode standar biokimia. Saat ini, digunakan untuk memproduksi enzim untuk produksi obat-obatan, untuk industri kimia dan juga untuk produksi biofuel. Banyak langkah reaksi kimia yang hanya dapat dicapai dengan pereaksi beracun atau mahal sekarang dapat dilakukan dengan menggunakan enzim dan dengan demikian lebih ramah lingkungan dan mengikuti contoh alam.

Prinsip Pertunjukan Phage Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Smith: phages sebagai pencari "cetak biru"

George P. Smith dan Sir Gregory P. Winter, yang berbagi paruh kedua Hadiah Nobel Kimia tahun ini, juga menggunakan prinsip evolusi terarah untuk pengembangan biomolekul baru. Langkah pertama diambil oleh peneliti AS Smith pada 1980-an. Dia sedang meneliti fag, hal-hal seperti virus yang menginfeksi bakteri. Fag tidak terdiri dari lebih dari satu cangkang dan genom yang disuntikkan ke dalamnya ketika bersentuhan dengan bakteri.

Prinsip sederhana ini memberi Smith gagasan untuk menggunakan fag sebagai penolong dalam pencarian cetak biru genetik untuk protein yang diketahui. Namun, ia mengkombinasikan fragmen gen dari konten yang tidak diketahui dengan gen yang menyandikan seluruh protein fag. Fag kemudian membentuk protein cangkang yang juga mengandung bagian-bagian dari protein yang dikodekan oleh fragmen gen yang tidak diketahui.

Sekarang tiba langkah penting: Smith menambahkan antibodi ke fag yang hanya terikat pada protein yang cetak biru sedang dicari. Antibodi dengan demikian menandai dia dengan fag yang membawa potongan protein dan dengan demikian potongan gen dengan cetak biru itu.

Musim dingin: Antikanker dengan bantuan fag

Metode tampilan fage ini membuat warga Inggris, Gregory Winter, selangkah lebih maju. Dia menyadari bahwa fag, sebagai penghubung antara protein dan cetak biru genetik, juga dapat menargetkan antibodi untuk keperluan medis dan memproduksi secara bioteknologi melalui kode DNA mereka. Winter menggunakan metode yang dikembangkan oleh Smith dan awalnya membuat seluruh perpustakaan fag, masing-masing membawa antibodi berbeda pada cangkangnya.

Jika antibodi sekarang sedang dicari untuk protein tertentu, misalnya reseptor pada permukaan sel kanker, perpustakaan fag digunakan. Musim dingin diuji fag mana yang bereaksi paling baik terhadap reseptor berkat antibodi amplop mereka. Cetak biru antibodi yang dibawa oleh fag ini kemudian dioptimalkan dengan perubahan DNA dan pemasukan kembali ke dalam fag sampai antibodi yang mereka hasilkan mengikat seefektif yang diinginkan oleh reseptor sel kanker.

Dengan metode ini, sekarang mungkin untuk secara khusus mengembangkan terapi antibodi untuk penyakit tertentu. Winter dan timnya diproduksi pada 1990-an, obat pertama yang seluruhnya didasarkan pada antibodi: obat adalimumab disetujui pada 2002 sebagai anti-rheumatoid arthritis dan sekarang digunakan melawan peradangan usus kronis. Sejak itu, dengan metode yang dikembangkan oleh Smith dan Winter, obat antibodi lebih lanjut dikembangkan, antara lain, melawan kanker metastasis, penyakit autoimun, dan racun.

(Nobel Foundation, 04.10.2018 - NPO)