Нобелевская премия по химии-2018 присуждена за работы по направленной эволюции молекул

Нобелевская премия по химии за 2018 год присуждена американским ученым Фрэнсис Арнольд и Джорджу Смиту, а также британцу Грегори Винтеру за работы по направленной эволюции химических молекул, что позволяет, в частности, создавать новые лекарства.

Об этом в среду сообщил Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук.

Как отмечается в сообщении, Арнольд удостоена премии за работы по направленной эволюции ферментов — молекул, катализирующих биохимические реакции, а Смит и Винтер — за создание метода так называемого «фагового дисплея пептидов и антител», позволяющего довольно просто и при этом очень эффективно выбирать биологические молекулы, белки и пептиды, с нужными свойствами.

Церемония награждения названных лауреатов пройдет по традиции в Стокгольме 10 декабря в день кончины основателя Нобелевских премий — шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля (1833-1896).

Сумма каждой из Нобелевских премий в этом году составляет 9 миллионов шведских крон (один миллион долларов США).

Фрэнсис Арнольд родилась в американском городе Питтсбург в 1956 году, является ученым и инженером, пионером направленной эволюции. Удостоена премии за работы по направленной эволюции ферментов - молекул, катализирующих биохимические реакции.

Джордж Смит и Грегори Уинтер удостоены премии за создание метода так называемого фагового дисплея пептидов и антител, позволяющего достаточно просто и эффективно выбирать биологические молекулы, белки и пептиды с нужными свойствами.

Джордж Смит родился в 1941 году в американском городе Норфолк, является профессором химии в Университете Миссури.

Грегори Уинтер родился в 1951 году в британском городе Лестер, является биохимиком, специалистом по белковой инженерии, профессором Кембриджского университета.

Эти достижения позволят, в частности, создавать новые лекарственные препараты. Например, можно создать антитела, способные бороться с аутоиммунными и онкологическими заболеваниями.

Фрэнсис Арнольд стала пятой по счету женщиной-лауреатом Нобелевской премии по химии.

Сумма каждой из Нобелевских премий в 2018 году составляет девять миллионов шведских крон (более миллиона долларов).

С 1901 года Нобелевская премия за достижения в области физиологии и медицины присуждалась 108 раз, и ее лауреатами стали 175 человек.

За всю историю Нобелевской премии по химии ее лауреатами стали только четыре женщины - Мария Кюри (в 1911 году), ее дочь Ирен Жолио-Кюри (1935), Дороти Ходжкин (1964) и Ада Йонат (2009).

Самым молодым лауреатом Нобелевской премии по химии стал Фредерик Жолио-Кюри, которому тогда было 35 лет.

Самым пожилым лауреатом является Джон Беннетт Фенн, который получил премию в 2002 году в возрасте 85 лет.

В 2015 году лауреатом Нобелевской премии по химии стал турецкий ученый Азиз Санджар.

Молекулы- «племенные лошади»

Метод направленной эволюции, разработанный Фрэнсис Арнольд в начале 1990-х годов, позволяет путем искусственного отбора создавать новые ферменты с улучшенными свойствами — пока, правда, в лабораторных стенах.

Направленный процесс эволюции начинается с выбора учеными фермента, свойства которого надо изменить. Далее они берут фрагмент молекулы ДНК с геном, кодирующий этот фермент, и вносят в него разнообразные мутации. Хотя эти изменения носят более или менее случайный характер, но в ходе работы ученые отбирают такие мутации, которые «направляют» работу фермента в нужную сторону. Выбранные молекулы ДНК подвергаются мутациям и отбору до тех пор, пока целевой фермент не начинает работать так, как было запланировано.

«Это как племенная лошадь. Хороший заводчик замечает врожденную способность лошади быть победителем на скачках и передать это последующим поколениям. Мы делаем то же самое с белками», — в свое время поясняла Арнольд.

Направленная эволюция позволила создать методы производства ферментов для создания новых лекарств, а также бытовой химии, сельскохозяйственных химикатов и топлива.

Замена «основы жизни»

Пожалуй, наиболее интересным приложением метода направленной эволюции стала возможность не просто улучшить природную функцию ферментов, но и «научить» их делать то, что они не делали раньше. Более того, речь идет о попытке изменить биохимическую основу жизни на Земле.

Главным «элементом жизни» является углерод — все живые клетки используют его в качестве основы для «построения» молекул. Ряд исследователей обращал внимание на то, что, поскольку атомы другого химического элемента — кремния соединяются с другими атомами так же, как и атомы углерода, то нет «противопоказаний», почему кремний не может быть альтернативой углероду в качестве биохимической основы жизни. Но при этом кремний почему-то практически не представлен в живой природе.

С другой стороны, полученная искусственным путем кремнийорганика (молекулы, в которых атомы кремния и углерода соединены друг с другом) применяется в фармацевтической промышленности, производстве компьютерных и телевизионных дисплеев и других областях.

Благодаря подходу, разработанному Арнольд, кремнийорганические соединения стало возможным создавать благодаря биотехнологиям.

«Мы решили «убедить» природу делать то, что могут делать только химики — только лучше», — поясняла Арнольд. Два года назад сообщалось, что ученым Калифорнийского университета впервые удалось заставить эволюционировать бактерии таким образом, чтобы их ферменты смогли эффективно встраивать кремний в углеводородные молекулы.

Как иголка из стога сена

Фаговый дисплей — это разработанный в 1980-х годах метод, позволяющий отобрать для дальнейшей промышленной наработки антител — молекул, вырабатываемых иммунной системой, и применяемых в качестве основы для многих лекарств. Уникальность фагового дисплея заключается в том, что эта методика позволяет из миллиарда разных молекул и притом совсем недорого выбрать именно одну-единственную, лучше всего подходящую для лечения определенного заболевания.

Метод основан на работе бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии. Если в ген, который отвечает за синтез оболочки бактериофага, встроить ген, кодирующий любой другой белок или пептид — более мелкую молекулу белковой природы, то фаг будет «отображать» (отсюда «дисплей») эту молекулу на своей поверхности. А если фагов с разными генами много, получается так называемая фаговая библиотека.

С помощью коротких пептидов можно, например, находить места на поверхностях человеческих вирусов, с которыми связываются антитела. Знание того, куда лучше всего «садятся» антитела, очень важно для создания вакцин. А размещение на поверхности бактериофага более крупных белковых молекул дает ученым другие возможности — например, целенаправленно выбирать перспективные лекарственные вещества или полезные для биотехнологии ферменты.

Выход в нанотехнологии

Метод фагового дисплея нашел еще одно, достаточно неожиданное применение. Оказалось возможным «размещать» на поверхности бактериофагов белки, которые, в свою очередь, с помощью фагового дисплея можно «научить» специфически связываться с нужными молекулами. Получающиеся благодаря этому наночастицы открывают громадные возможности для создания не только материалов с заранее заданной структурой, но и «умных» молекулярных наноустройств.

Так, исследователи уже использовали фаговый дисплей для создания наночастиц катализатора, способствующего конверсии этанола в водород, что важно с точки зрения модернизации существующих и создания новых водородных топливных ячеек.

Другая группа ученых путем покрытия поверхности фагов золотом и двуокисью индия получила так называемые электрохромные материалы — нанопленки, меняющие цвет при изменении электрического поля, и способные реагировать на изменение электрического поля быстрее известных аналогов. Подобного рода материалы перспективны для создания энергосберегающих ультратонких экранных устройств.