Irányított evolúció: ezért fontosak az idei kémiai Nobel-díjasok kutatásai

Az idei kémiai Nobel díjat George P. Smith, Gregory P. Winter és Frances H. Arnold kapták, akiknek a nevét felfedezéseik időrendi és logikai sorrendjében soroltam fel. 

Irányított mutagenezis

George P. Smith 1985-ben publikálta a fág-bemutatás (phage display) eljárást, ami a mai napig a legelterjedtebb irányított fehérjeevolúciós technika. Ennek során az evolválandó fehérje kódoló DNS-ét (a fehérje génjét) egy baktériumokat fertőző vírus, azaz fág burokfehérje-génjével építette össze. Amikor egy ilyen fág megfertőzi a baktériumot, a baktérium olyan fág-részecskéket termel, amelyek a felszínükön „megjelenítik” az evolválandó fehérjét, miközben a belsejükben hordozzák az adott fehérje génjét.

Smith megmutatta, hogy a gén irányított mutagenezisével akár milliárdos nagyságrendben lehet gén-variánsokat készíteni, és ezáltal milliárdos nagyságrendben lehet fehérje-variánsokat készíteni úgy, hogy minden fág-részecske csak egyfajta fehérjét jelenít meg a felszínén, és csak annak a génjét hordozza a belsejében. Ebből a milliárdos fehérje-fág könyvtárból a kutató által megszabott tulajdonság - leggyakrabban egy másik fehérjéhez való kötődés képessége – alapján rendkívül hatékonyan ki lehet szelektálni olyan újfajta fehérjéket, amelyek a természetben nem léteznek, de akár kutatási, akár gyakorlati célból hasznosak.

A Missouri Egyetem hallgatói szelfiznek George P. Smith professzorral a Nobel-díj bejelentése utánFotó: BILL GREENBLATT/AFP

Egy 1984-es Nobel-díjra épült a most elismert kutatás

Ez át is vezet bennünket Gregory P. Winter munkásságához. Ő volt az, aki ezt a technológiát elsőként alkalmazta ellenanyagok irányított evolúciójára. Az ellenanyagok, vagy más szóval antitestek a gerincesek immunrendszerének központi molekulái. Ezek azok a fehérjék, amik képesek felismerni a szervezet számára idegen anyagokat, amik lehetnek kórokozók, méreganyagok, vagy éppen a saját szervezetünk rákos sejtjei. Minden emlős szervezetében 100 milliós nagyságrendben vannak eltérő kötőképességű ellenanyag-variánsok. Ezek egy evolúciós mechanizmus során jönnek létre a szervezetünkben.

Az 1984-es orvosi Nobel-díjat Niels K. Jerne – az ellenanyag-variánsok kialakulási mechanizmusának feltárásáért, valamint Georges J.F. Köhler és César Milstein kapták, utóbbiak az úgynevezett hibridóma technológiáért, amivel egyedi – úgynevezett monoklonális ellenanyagok izolálhatók például egérből. Az ellenanyagok élőlényen belüli evolúciója a kutató számára nem irányítható folyamat. Gregory P. Winter megoldotta, hogy ezek a rendkívüli fehérjék a kutató által tökéletesen irányított módon legyenek evolválhatók az említett fág-bemutatás módszerével. Mindennek a fő gyakorlati jelentőségét az adja, hogy a legmodernebb gyógyszeres terápiák, amelyeket súlyos, például daganatos, vagy autoimmun betegségek ellen fejlesztettek ki, monoklonális ellenanyagokon alapulnak. Ezeknek egy részét még a klasszikus hibridóma technológiával állítják elő, de egyre nagyobb arányban jelennek meg azok a gyógyszerek, amiket a George P. Smith által kifejlesztett, és Gregory P. Winter által az adott célra optimalizált fág-bemutatás módszerével hoznak létre.

A Caltechen köszöntik az egyetem friss Nobel-díjasát, Frances H. ArnoldotFotó: FREDERIC J. BROWN/AFP

Enzimevolúció a környezetért

Az enzimek olyan fehérjék, amelyek kémiai reakciókat katalizálnak (gyorsítanak fel) rendkívül szelektív módon, és rendkívül hatékonyan. A fág-bemutatás nem bizonyult alkalmasnak enzimek evolválására. Frances H. Arnold volt az, aki az első működőképes irányított enzimevolúciós eljárásokat kidolgozta. Ezekkel a módszerekkel lehetővé vált olyan kémiai reakciók gyorsítása, amelyekre korábban nem volt ismert katalizátor.

Vannak rendkívül nagy környezetterheléssel járó vegyipari eljárások, amelyek számára új, környezetbarát alternatívákat nyitott. Áttörést jelenthetnek ezek az eljárások a környezetkárosító anyagok lebontásában, új gyógyszer-előállítási eljárások, és számtalan egyéb, az emberiség számára hasznos területen.

A cikk szerzője Pál Gábor, az ELTE Biokémiai Tanszékének egyetemi docense, az irányított fehérjeevolúción alapuló kutatások magyarországi zászlóvivője.

A kémiai Nobel-díjak kihirdetéséről írt cikk a Qubiten: