Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 35 – vyšlo 5. října, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

35/2018

Nobelova cena za chemii aneb jak urychlit evoluci

Lucie Kulhánková

Letošní Nobelova cena za chemii byla udělena 3. října 2018 za výzkum evoluce a jejího využití. Polovinu ceny získala Frances H. Arnold za řízenou evoluci enzymů. Druhou polovinu pak získali Goerge P. Smith a Sir Gregory P. Winter za výzkum v oblasti bakteriofágů a protilátek, konkrétně za vyvinutí metody zvané fágový displej. Všechny laureáty spojuje práce na využití evoluce k lidskému prospěchu.

Umělecké vyobrazení trojice oceněných vědců, zleva jsou Frances H. Arnold,
George P. Smith a Gregory P. Winter. Zdroj: Nobel Media 2018.

Medaile udělovaná oceněným

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. DNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. Bakteriofág – virus napadající bakterie. Pro buňky s jádry (eukaryotní), tj. buňky rostlin a živočichů, je neškodný. DNA, resp. RNA bakteriofágu je obalená v bílkovinném (proteinovém) obalu, na jednom konci přizpůsobeném k přichycení na bakterii. Při napadání bakterie se bakteriofág přichytí na její stěnu a vtlačí do ní svoji kopii DNA, resp. RNA. Proteiny – bílkoviny, velké organické molekuly tvořené aminokyselinami uspořádanými do lineárních útvarů. Tyto dlouhé řetězce jsou pospojovány peptidovými vazbami (vazba karboxylové skupiny jedné molekuly a aminoskupiny druhé molekuly). Enzymy – jednoduché či složené bílkoviny, které katalyzují chemické přeměny v živých organizmech. Protilátka – bílkovina, zaměřená proti cizorodé látce v organismu. Jejím úkolem je navázat se na specifický antigen a buď usnadnit jeho pohlcení buňkami imunitního systému, nebo svým navázáním přerušit škodlivé působení antigenu, případně spolu s antigenem vytvořit větší nerozpustný celek. Pod vlivem jednoho antigenu se může najednou tvořit více protilátek, neboť se mohou vázat na různá místa antigenu. Vazebná místa antigenu a jemu příslušející protilátky do sebe zapadají jako klíč do zámku, obecně tedy daná protilátka reaguje pouze na zcela určitý antigen. Hydrolýza – rozkladná reakce, při které se spotřebovává molekula vody.

Enzym na přání

EnzymyEnzymy – jednoduché či složené bílkoviny, které katalyzují chemické přeměny v živých organizmech. si lze představit jako jakousi buněčnou továrnu. Jde o bílkovinuProteiny – bílkoviny, velké organické molekuly tvořené aminokyselinami uspořádanými do lineárních útvarů. Tyto dlouhé řetězce jsou pospojovány peptidovými vazbami (vazba karboxylové skupiny jedné molekuly a aminoskupiny druhé molekuly)., která v organizmu plní nějakou funkci. Například rozštěpuje látky přijaté buňkou na stavební bloky. Jiné enzymy naopak tyto bloky sestavují do látek, které buňka potřebuje. Enzymy se odedávna využívají v různých technologiích. Například pomocí enzymů v kvasinkách vyrábíme od nepaměti pivo, víno či chléb. Ovšem enzymy v buňkách mají svá omezení, a proto výtěžek takových reakcí není nutně úplně nejvyšší. To se ovšem dá změnit díky řízené evoluci.

Frances Arnold původně chtěla využít enzymů k tvorbě látek místo klasických chemických procesů, které často vyžadují poměrně extrémní podmínky. Ze začátku se pokoušela zasáhnout do enzymatické struktury vlastními silami. Enzymy jsou totiž bílkoviny, to znamená, že jsou tvořeny dvaceti aminokyselinamiAminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH₂. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností., jejichž pořadí je zapsáno v DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.. Jeden takový enzym může být tvořen stovkami i tisíci aminokyselin za sebou, poskládanými do 3D funkční struktury. Jejich remodelace pomocí vlastního designu je extrémně obtížná a sama Arnold označila svůj původní postup za poměrně arogantní. Místo toho se obrátila k přírodě a evoluci.

Jak zrychlit evoluci

K své práci použila enzym jménem subtilisin. Ten ve vodním prostředí katalyzuje hydrolýzuHydrolýza – rozkladná reakce, při které se spotřebovává molekula vody. bílkovinProteiny – bílkoviny, velké organické molekuly tvořené aminokyselinami uspořádanými do lineárních útvarů. Tyto dlouhé řetězce jsou pospojovány peptidovými vazbami (vazba karboxylové skupiny jedné molekuly a aminoskupiny druhé molekuly).. Arnold se snažila, aby byl funkční i v organickém prostředí. Vytvořila proto několik variant subtilisinu s náhodnými mutacemi v DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace., které vyústily v náhodné změny některých aminokyselinAminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH₂. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností. v samotném subtilisinu. Tyto mutace vytvořila pomocí polymerázové řetězové reakce, která má tendenci jednou za čas udělat chybu. Poté využila schopnost enzymu štěpit kasein (mléčnou bílkovinu) a otestovala všechny varianty na základě jejich schopnosti štěpit tuto bílkovinu v 30/dimethylformamidu. Vybrala tu, která fungovala nejlépe, a postup opakovala. Takto postupně došla k variantě, která štěpila kasein 256× lépe než původní enzym.

Metodu dále rozpracoval její kolega Willem P. C. Stemmer, který využil rekombinaci enzymů. V podstatě štěpil různé varianty enzymů na stavební bloky DNA, které smíchal a znovu slepil dohromady. Vytvořil tak mozaiku původních bloků. Stemmer bohužel zemřel v roce 2013, a tak letos Nobelovu cenu spolu s Arnold dostat nemohl. Jejich práce našla využití při tvorbě nových udržitelných biopaliv, farmaceutických látek i dalších materiálů.

Pro vytvoření nových enzymů je potřeba docílit evolučního tlaku na změnu. Pokud se snažíme vytvořit enzym, který má jinou optimální teplotu fungování nebo jiné prostředí, je třeba mu vytvářet toto prostředí postupně po menších krocích. V případě úplně nových podmínek je nutné využít většího množství selekčních cyklů. V posledních letech byla tato metoda použita i pro vytvoření zcela nových reakcí. K tomu byl použit enzym jménem tryptofan syntáza, který, jak již název napovídá, syntetizuje aminokyselinu tryptofan. Nejprve byla jeho schopnost syntézy snížena asi o 95 procent, čímž byly odstraněny některé části enzymu. Poté byl enzym upraven pro tvorbu analogů tryptofanu.

Bakteriofág detektivem

George Smith se rozhodl přijít na způsob, jak zjistit funkci neznámého fragmentu DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.. Využil k tomu bakteriofágů, které jsou relativně jednoduché. BakteriofágBakteriofág – virus napadající bakterie. Pro buňky s jádry (eukaryotní), tj. buňky rostlin a živočichů, je neškodný. DNA, resp. RNA bakteriofágu je obalená v bílkovinném (proteinovém) obalu, na jednom konci přizpůsobeném k přichycení na bakterii. Při napadání bakterie se bakteriofág přichytí na její stěnu a vtlačí do ní svoji kopii DNA, resp. RNA. je vlastně malý kus genetické informace (DNA) obalený do proteinového kabátu. Nemá ani vlastní aparát pro replikaci, a tak musí napadat bakterie, které tento proces zařídí za něj. Smithe napadlo elegantní řešení. Neznámý fragment DNA se zakomponuje do genetické informace bakteriofágu a při napadení bakterie bude spolu s celým fágem přepsán do proteinové podoby pomocí bakteriální translace. Je zjevné, že nemá kde jinde skončit než v onom proteinovém obalu bakteriofágu. Následně lze využít protilátek, které specificky vážou proteinyProteiny – bílkoviny, velké organické molekuly tvořené aminokyselinami uspořádanými do lineárních útvarů. Tyto dlouhé řetězce jsou pospojovány peptidovými vazbami (vazba karboxylové skupiny jedné molekuly a aminoskupiny druhé molekuly). pouze s určitou funkcí. Pokud bude protilátka vázat náš neznámý fragment, zjistíme jeho funkci. Smithovi se podařilo tuto elegantní teorii prokázat v roce 1985. Vytvořil knihovnu bakteriofágů s různými krátkými peptidy v jejich proteinovém obalu. Ty zkoušel navázat na protilátku. Pokud se fág dobře vázal, znovu jím infikovat bakterie a namnožil je. Takových cyklů vázání a množení udělal několik. Skončil s velkým množstvím nejlépe se vázajícího fágu. Toho mohl osekvenovat, tedy zjistit jeho DNA sekvenci, a podle ní určit, který neznámý peptid mu zůstal. Třetí laurelát letošní Nobelovy ceny Gregory Winter poté rozpracoval jeho postup s protilátkami.

Bojovné protilátky

V našich tělech se pohybují stovky tisíc různých protilátek. Jejich cílem je, aby se v případě, kdy se nám do těla dostane nějaký patogen, našla alespoň jedna, která je schopná ho rozeznat s velkou přesností. Právě díky této přesnosti se vědci snažili využít protilátky k tomu, aby blokovaly v těle procesy způsobené nemocemi. Snažili se vytvářet protilátky například infikováním myší, ale v případě látek pro myš toxických logicky žádné protilátky nevznikly. Proto se Winter inspiroval u Smithe a přešel k bakteriofágům. Postup Smithe poněkud upravil, a místo peptidu na povrch bakteriofágu narafičil právě protilátku. Postupně vytvořil knihovnu milionů bakteriofágů s různými protilátkami. Následně k nim přidal protein, který je třeba v těle zablokovat a zachytil ty fágy, které byly schopny protein navázat. Poté podobně jako Arnold postup opakovat s novými náhodnými protilátkami, dokud nedošel k protilátce, která váže onen protein silně a specificky.

Tato metoda vedla k vyvinutí prvního léku, který byl založen na lidské protilátce adalimumabu. Adalimumab blokuje bílkovinu TNF-alfa, která způsobuje zánětlivé reakce v mnoha autoimunitních onemocněních. Dnes se používá při léčbě artritidy či psoriázy (lupénky). Velkým úspěchem bylo i využití metody při tvorbě protilátek vázajících rakovinné buňky nádorů.

Frances Hamilton Arnold

Frances Hamilton Arnold (*1956)

Frances Arnold se narodila v americké Pensylvánii dne 25. července 1956. Vystudovala mechanické a letecké inženýrství na Princetonské univerzitě. Doktorát získala v chemickém inženýrství na Berkelejské univerzitě v Kalifornii, kde zkoumala afinitní chromatografii. Po ukončení doktorského studia se věnovala biofyzikální chemii jako asistentka na Kalifornském technickém institutu. Poté byla jmenována profesorkou – nejprve v roce 2000 a podruhé v roce 2017. V roce 2013 byla jmenována ředitelkou Bioinženýrského centra Donny a Benjamina Rosenových. Je členkou několika rad včetně Joint BioEnergy Institutu, Packardova stipendia pro vědu a inženýrství nebo Ceny za inženýrství královny Alžběty. Za svou kariéru podala přes 40 patentů, založila firmu Gevo Inc. a pracovala i jako odborná poradkyně pro hollywoodské scénáristy.

George Pieczenik Smith

George Pieczenik Smith (*1941)

George Smith je vědec ze Spojených států. Narodil se dne 10. března 1941 v Norwalku v Connecticutu. Vystudoval biologii na Haverfordově univerzitě. Rok strávil jako učitel na střední škole, poté pokračoval doktorským studiem na Harvardově univerzitě. Zde se věnoval bakteriologii a imunologii. Po doktorském studiu získal místo na Wisconsinské univerzitě, kde pracoval s Oliverem Smithiesem, dalším nositelem Nobelovy ceny. V roce 1975 nastoupil na Kolumbijskou univerzitu v Missouri, kde se stal profesorem. Velkou část práce, za kterou získal Nobelovu cenu, vytvořil při pobytu na Dukeově univerzitě v letech 1983–1984. Kromě Nobelovy ceny získal například i cenu Promega za biotechnologický výzkum.

Sir Gregory Paul Winter

Sir Gregory Paul Winter (*1951)

Gregory Winter je britský vědec. Narodil se v Leicesteru dne 14. dubna roku 1951, vystudoval přírodní vědy na univerzitě v Cambridge v roce 1973. Zde pokračoval i v doktorském studiu, kde se zabýval sekvencí aminokyselin v tryptophanyl tRNA syntáze. Po doktorském studiu působil na Imperial College v Londýně a v Cambridžském genetickém institutu. Založil společnosti Cambridge Antibody Technology, Bicycle Therapeutics a Domantis. První z těchto firem byla v roce 2006 koupena farmaceutickou společností Astrazeneca za 702 milionů liber. Za svou kariéru získal mnoho ocenění včetně Královské medaile či Scheeleiho ceny.

Odkazy