Нобелевскую премию по химии дали за методы создания новых ферментов и антител. Как это работает и где применяется?

Нобелевскую премии по химии в 2018 году присудили трем исследователям: Фрэнсис Арнольд, Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру. Руководитель лаборатории геномной инженерии Московского физико-технического института Павел Волчков объясняет, что именно сделали эти ученые.

За что дали Нобелевскую премию?

Если коротко, премию дали за открытие методов, благодаря которым стало возможным изменять ферменты и создавать новые антитела.

Что это за методы?

Первый метод называется «направленная эволюция ферментов». Вот у вас есть какой-то фермент, который закодирован в определенном гене, и вы хотите, чтобы он работал еще лучше или немного по-другому. Например, чтобы он что-то делал не с глюкозой, как обычно, а с близкородственной молекулой — галактозой. Мы не знаем, как именно нам нужно для этого изменить фермент, вариантов очень много. Но мы знаем, в какой части фермента должны произойти эти изменения. Поэтому мы действуем, по сути, банальным подбором: составляем библиотеки, в которых собраны разные варианты этого гена — с самыми разными мутациями, которые, соответственно, приводят к изменениям в белке. Мы загоняем этот ген в бактерию и заставляем ее производить нужный фермент. Система организована так, что, если клетка с этим геном не может делать то, что нужно, она погибает (таких, кстати, будет большинство). Затем можно использовать антибиотики или токсичные вещества, что спровоцирует новые мутации, помогающие приспособиться к таким условиям. В итоге в живых останутся только те бактерии, которые производят самые эффективные в нужной нам области ферменты. То есть это эволюционный процесс, только систему отбора создают сами ученые.

Второй метод, за который дали премию, — фаговый дисплей. Одна из областей его использования — направленная эволюция в отношении антител. Только тут используются не бактерии, а бактериофаги — вирусы, которые могут заражать бактерии. У них на поверхности есть белки, и туда можно встроить относительно большой кусок какого-нибудь другого белка. Например, функциональную часть антител.

У антител есть неизменная часть и функциональная. Функциональная часть связывается с теми веществами, на которых специализируются антитела. То есть если мы встраиваем в бактериофаг такую часть антитела, то он тоже сможет связываться с нужным веществом. Если у нас есть это вещество и нужно к нему подобрать антитело, мы тоже действуем методом подбора. Мы создаем библиотеку с генами, которые кодируют самые разные варианты функциональных частей антитела, встраиваем их в бактериофаг и смотрим, какой связывается с токсином или чем-то еще, что нам нужно. Если подходящий участок антитела нашелся, мы можем работать над тем, чтобы он лучше связывался с тем, на что нацелен. Для этого можно вносить небольшие изменения, то есть провоцировать точечные мутации гена. Дальше уже нужно будет проверить эти новые антитела на специфичность: не связывают ли они с какими-то другими веществами. Иначе в организме они могут оказаться токсичными.

Какую пользу принесли эти методы?

Новые ферменты помогают ускорить процессы и очистить продукт от побочных эффектов, которые иногда возникают при химической реакции. Их используют в химической и фармацевтической промышленности. С их помощью создают биотопливо, моющие средства, реагенты и лекарства (например, для снижения уровня холестерина).

Благодаря фаговому дисплею у нас появились разные препараты из группы моноклональных антител. Например, против аутоиммунных заболеваний — ревматоидного артрита и псориаза.