Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2018: Η ανθρωπότητα τιθασεύει την εξέλιξη!

fig1_ke_webb_180928

Με το φετινό Νόμπελ Χημείας τιμήθηκαν η Αμερικανίδα επιστήμονας Frances H. Arnold για την “κατευθυνόμενη εξέλιξη ενζύμων” και ο Αμερικανός George P. Smith με το Βρετανό Sir Gregory P. Winter για την “παρουσίαση πεπτιδίων και αντισωμάτων στην επιφάνεια φάγων”.

Frances H. Arnold

 Η Frances H. Arnold, η οποία που έλαβε το ½ του βραβείου, είχε την ιδέα να χρησιμοποιήσει τους καταλύτες της φύσης, τα ένζυμα, στη θέση των χημικών καταλυτών που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, κάτι που θα άλλαζε δραστικά την επιστήμη της Χημείας. [1] 

 

 Τι είναι όμως οι καταλύτες; 

Καταλύτες ονομάζουμε τις ουσίες η παρουσία των οποίων επιταχύνει κάποιες χημικές αντιδράσεις, χωρίς οι ίδιες τελικά να επηρεάζονται. 

Πηγή: http://www.chem4kids.com/files/react_catalyst.html

Οι καταλύτες είναι απαραίτητοι σε αμέτρητες διαδικασίες που πραγματοποιούνται στη βιομηχανία, όπως η επεξεργασία του πετρελαίου, η σύνθεση πολλών χημικών και φαρμάκων, ακόμα και η παραγωγή τροφίμων όπως η μαργαρίνη. Το ρόλο των καταλυτών στους ζωντανούς οργανισμούς έχουν τα ένζυμα, πρωτεΐνες που καταλύουν ζωτικής σημασίας βιοχημικές αντιδράσεις. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των ενζύμων είναι η μεγάλη ειδικότητά τους, αφού για κάθε βιοχημική αντίδραση υπάρχει ένα συγκεκριμένο ένζυμο-καταλύτης της. [2] 

Ένα ένζυμο μπορεί να αποτελείται από αρκετές εκατοντάδες αμινοξέα (μικρά μόρια – δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών), τα οποία σχηματίζουν μακριές αλυσίδες. Αυτές στη συνέχεια αναδιπλώνονται στο χώρο και φτιάχνουν την τρισδιάστατη δομή του ενζύμου, που έχει βασικό ρόλο στην κατάλυση. [1] 

Τα ένζυμα των οργανισμών εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου.  

Σύμφωνα με τη θεωρία της εξέλιξης, η επιβίωση των οργανισμών βασίζεται στην ικανότητά τους να προσαρμόζονται στις συνθήκες του περιβάλλοντος αλλάζοντας τα χαρακτηριστικά τους. 

Σε βιοχημικό επίπεδο, εξέλιξη σημαίνει αλλαγές στη λειτουργία των ενζύμων των οργανισμών με την αλλαγή των χημικών συνθηκών στο περιβάλλον τους. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα βακτήρια. Όλα εμφανίζουν τυχαίες μεταλλάξεις, αλλαγές, δηλαδή, στο DNA τους, που μεταφράζονται σε αλλαγές στα ένζυμά τους, αφού το DNA είναι το “καλούπι” για τις πρωτεΐνες. Κάποιες συγκεκριμένες μεταλλάξεις θα τύχει να τους προσδώσουν ανθεκτικότητα σε αντιβιοτικά. Με βάση τη “φυσική επιλογή”, όπως λέγεται αυτή η διαδικασία στη θεωρία της εξέλιξης, τα ανθεκτικά βακτήρια είναι αυτά που θα επιβιώσουν και θα πολλαπλασιαστούν, δίνοντας ανθεκτικούς απογόνους και καθιστώντας τελικά άχρηστα τα υπάρχοντα αντιβιοτικά μας. [3] 

Στις αρχές της δεκαετίας του ‘90 η Frances αποφάσισε να μιμηθεί τη διαδικασία της εξέλιξης και με διαδικασίες “επιλογής” να φτιάξει ένζυμα… κατά παραγγελία. 

Η διαδικασία που ακολουθούν οι επιστήμονες για την κατευθυνόμενη εξέλιξη ενός ενζύμου είναι αρκετά απλή: 

  1. Τυχαίες μεταλλάξεις εισάγονται στο γονίδιο του ενζύμου. 
  2. Τα τροποποιημένα γονίδια εισάγονται σε βακτήρια, όπου παράγονται τα αντίστοιχα τροποποιημένα ένζυμα. 
  3. Πραγματοποιούνται δοκιμές στα διαφορετικά ένζυμα σε διαφορετικές συνθήκες και επιλέγονται τα καλύτερα για την κατάλυση της αντίδρασης. 
  4. Εισάγονται και νέες μεταλλάξεις στα επιλεγμένα γονίδια και συνεχίζεται ο ίδιος κύκλος, που οδηγεί στα βέλτιστα ένζυμα. 

Μερικά χρόνια μετά τις έρευνες της Frances, ο Ολλανδός επιστήμονας Willem P. C. Stemmer βελτίωσε σημαντικά την κατευθυνόμενη εξέλιξη. [1] 

Πηγή: https://www.insidescience.org/news/2018-chemistry-nobel-prize-story

 Ένζυμα που έχουν παραχθεί από διαδικασίες κατευθυνόμενης εξέλιξης χρησιμοποιούνται σήμερα στην παραγωγή βιοκαυσίμων, φαρμάκων και άλλων προϊόντων, αυξάνοντας την ταχύτητα παραγωγής και μειώνοντας τα ανεπιθύμητα παραπροϊόντα και την ανάγκη για χρήση μετάλλων. Έτσι, τα ένζυμα βοηθούν τη χημεία να γίνει πιο “πράσινη”, πιο φιλική προς το περιβάλλον. [1,4] 

 Το δεύτερο μισό του βραβείου δόθηκε από κοινού στους ερευνητές George P. Smith (¼) και Sir Gregory P. Winter (¼), οι οποίοι ασχολήθηκαν με την κατευθυνόμενη εξέλιξη χρησιμοποιώντας σαν εργαλείο όχι ένζυμα, αλλά ένα βακτηριοφάγο, έναν ιό που προσβάλλει τα βακτήρια.  

Οι βακτηριοφάγοι εισάγουν το γενετικό υλικό τους σε βακτήρια και χρησιμοποιούν “υλικά” από αυτά για να αναπαραχθούν και να παράγουν τις πρωτεΐνες τους. Μιας και είναι πολύ απλοί οργανισμοί, ο Smith είχε την ιδέα να χρησιμοποιήσει τους βακτηριοφάγους για να αντιστοιχίσει γνωστές πρωτεΐνες με τα άγνωστα γονίδιά τους.  

George P. Smith

Η διαδικασία είναι και εδώ αρκετά απλή. Ένα γονίδιο εισάγεται σε συγκεκριμένο σημείο στο DNA του φάγου και στη συνέχεια όλο το DNA του εισάγεται σε ένα βακτήριο. Μέσα στο βακτήριο το DNA του φάγου θα δώσει πρωτεΐνες, με αυτή από το γονίδιο που εισάγαμε να εμφανίζεται στην επιφάνεια του φάγου. Χρησιμοποιούμε ένα αντίσωμα για να παραλάβουμε την πρωτεΐνη από το φάγο της ανάμεσα σε πολλούς φάγους με διαφορετικές πρωτεΐνες. [1]  Τα αντισώματα είναι πρωτεϊνικά μόρια του ανοσοποιητικού συστήματος που αναγνωρίζουν συγκεκριμένες ουσίες και προσδένονται σε αυτές, οπότε είναι ιδανική επιλογή για το “ψάρεμα” της σωστής πρωτεΐνης. [5] Γνωρίζοντας ποιο γονίδιο είχαμε εισάγει στο φάγο που “ψαρέψαμε”, έχουμε καταφέρει να κάνουμε την αντιστοίχιση. 

Sir Gregory P. Winter

Ο Smith παρουσίασε τα επιτυχή αποτελέσματα της ιδέας του το 1985, αλλά για τις περισσότερες εφαρμογές της τεχνικής του έχουμε να ευχαριστήσουμε τον τρίτο φετινό νομπελίστα, τον Winter. Όταν ο Winter ξεκίνησε τις έρευνές του, η επιστημονική κοινότητα διερευνούσε ήδη τη σκέψη να σχεδιαστούν αντισώματα που θα παρεμβαίνουν σε βιοχημικές πορείες ασθενειών, λειτουργώντας σαν φάρμακα. Ο Winter τοποθέτησε αντισώματα στην επιφάνεια των φάγων και κατεύθυνε την εξέλιξή τους, όπως έκανε η Frances για τα ένζυμα, παραλαμβάνοντας τελικά αντισώματα που μπορούν να προσδεθούν ισχυρά στα μόρια-στόχους τους και μόνο σε αυτά, επιθυμητό χαρακτηριστικό για ένα φάρμακο. Χάρις τη δουλειά των Smith και Winter έχουν αναπτυχθεί φάρμακα που αδρανοποιούν τοξίνες, σταματούν την επιδείνωση αυτοάνοσων νοσημάτων ή ακόμα και θεραπεύουν το μεταστατικό καρκίνο. [1]

Πηγές:

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/ & 

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/popular-chemistryprize2018.pdf  

Ανακτήθηκε από: nobelprize.org 

[2] https://www.britannica.com/science/catalysis 

[3] Sergio Martínez Cuesta, Syed Asad Rahman, Nicholas Furnham, and Janet M. Thornton (2015). The Classification and Evolution of Enzyme Function, Biophysical Journal, 109(6): 1082–1086. Ανακτήθηκε από: PubMed  

[4]https://eic.rsc.org/soundbite/nobel-prize-awarded-for-evolving-green-chemistry-catalysts/3009709.article?fbclid=IwAR1Lrp1IKH88q3n6Wwu4WKOHVQob1YTMx7LMIoDxKnUDXsQFbStK4kHtOM0  Ανακτήθηκε από: Education In Chemistry 

[5] https://www.britannica.com/science/antibody 

 

Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu