Nobel-díj: irányított evolúció

Ez az alapja az irányított fehérjeevolúciónak – magyarázta Pál Gábor, az ELTE Biokémia Tanszékének professzora annak kapcsán, hogy ilyen eljárásokért ítélték oda szerdán az idei kémiai Nobel-díjat Frances H. Arnold és George P. Smith amerikai, valamint Gregory P. Winter brit tudósnak. A Svéd Királyi Tudományos Akadémia indoklása szerint a három tudós az evolúció mechanizmusát felhasználva ért el úttörő eredményeket kutatásaiban, amelyek gyakorlati haszna ma már a gyógyszergyártáson át az üzemanyag-előállításig megfigyelhető.

A biológiai evolúció alapja az élőlények örökletes tulajdonságait kódoló DNS generációról generációra történő apró megváltozása. Ennek révén nagyon lassan megváltozik minden faj DNS-ben kódolt biológiai információja, az élőlények lassan átalakulnak, "hozzáidomulnak" változó környezetükhöz. Az információ megváltozása részben a DNS-ben kódolt fehérjék megváltozását jelenti – magyarázta az MTI-nek Pál Gábor. – Mintegy 30 éve jutottak arra a gondolatra, hogy ez az evolúciós folyamat nemcsak élőlényekben mehet végbe, hanem akár élőlényekből kiemelt gének közvetlen, kutatók általi megváltoztatásával is megvalósítható. Ez vezetett az irányított fehérjeevolúció létrehozásához. George P. Smith volt az, aki az irányított fehérjeevolúció koncepcióját és a legelterjedtebb technológiáját megalkotta. Ez a fág-bemutatásnak nevezett eljárás, amelyben egy bakteriofágot (baktériumot fertőzni képes vírust) használnak új fehérjék kifejlesztésére.

A professzor szerint George P. Smith ötletének zsenialitása abban állt, hogy rájött, hogyan lehet egy fehérje génjét és az általa kódolt fehérjét fizikailag összekapcsolni egy vírusrészecske által. A vizsgálni kívánt fehérje génjét Smith egy vírus burokfehérje génjéhez kapcsolta. Amikor ezt a módosított vírus DNS-t baktériumokba juttatta, a fertőzött sejt olyan vírusokat termelt, amelyek a felszínükön megjelenítették a vizsgálandó fehérjét, miközben belsejükben hordozták annak génjét. Ez volt a belépő az első irányított fehérjeevolúciós eljárás megalkotásához. A következő lépésként a tudós előállította egy adott fehérjegén többmilliárd eltérő változatát.

– Ha létrejön egy ilyen DNS-könyvtár és ezt bejuttatjuk baktériumsejtekbe úgy, hogy minden sejt csak egyetlen DNS molekulát fogadjon be, akkor a baktériumsejtek a DNS-információ alapján többmilliárd különböző fehérjevariánst fognak előállítani úgy, hogy mindegyik variáns a saját génjéhez lesz kötve a vírusrészecske által. Ez az irányított fehérjeevolúció kulcsmotívuma – magyarázta Pál Gábor. – Ezek után általunk irányított módon valamilyen fehérjetulajdonságra szelektálunk és kiválogatjuk az adott tulajdonsággal rendelkező variánsok csoportját – mondta, hozzátéve, hogy a szelekciót többször egymás után el lehet végezni.

A professzor szerint ennek számos haszna van. Ha a fehérje eredeti funkciója alapján szelektálunk, akkor nagyon gyorsan fel tudjuk tárni, hogy a fehérje mely részei látják el az adott funkciót: ezek lesznek azok, amik megőrződnek egy ilyen vizsgálatban. Így megérthetjük, hogy a fehérjék miként működnek. Másrészt ha új funkciókra szelektálunk, akkor olyan fehérjéket hozhatunk létre, amik a természetben nem léteznek. Így bármelyik természetes fehérje ellen evolválhatunk szelektíven csak ahhoz kötődő és azt gátló fehérjéket. Így minden fehérje esetében feltárható, hogy mi annak a fő biológiai feladata. Márpedig a biológiai folyamatok mindegyike fehérjék kölcsönhatásán alapul.

– A betegségek zöme mögött kóros fehérje-fehérje kölcsönhatások állnak. A legígéretesebb terápiás út az ilyen kölcsönhatások kialakulásának megakadályozása az adott célra kifejlesztett kötőfehérjékkel. Jelenleg a legmodernebb gyógyszerek a terápiás monoklonális ellenanyagok, amelyek egy-egy olyan fehérje-fehérje kölcsönhatást tudnak megakadályozni, amelyek kulcsszerepet játszanak valamilyen daganatos vagy autoimmun betegségben.

A brit Gregory P. Winter az evolúciós technológiát az ellenanyagokra alkalmazta. Munkássága nyomán lehetővé vált az élő szervezeten kívüli, célzott ellenanyag-fejlesztés. Ezzel a megoldással olyan, az emberi ellenanyagoktól megkülönböztethetetlen felépítésű fehérjék hozhatók létre, amelyek szinte bármilyen, akár a természetből nem ismert kötőtulajdonsággal rendelkezhetnek. Jelenleg a hagyományos és az új, irányított evolúciós eljárást egyaránt alkalmazzák monoklonális terápiás ellenanyagok kifejlesztésére, de a modernebb eljárás kezd előtérbe helyeződni.

Frances Arnold az enzimek irányított evolúciójáért részesült az elismerésben. Az enzimek kémiai reakciókat gyorsítanak nagy hatékonysággal és rendkívüli szelektivitással – mutatott rá Pál Gábor. A fág-bemutatás nem bizonyult megfelelő eljárásnak enzimek evolválására. Frances H. Arnold kidolgozta az első működőképes irányított enzim-evolúciós eljárásokat. Ezekkel lehetővé vált olyan kémiai reakciók gyorsítása, amelyekre korábban nem volt hatékony vagy nem is létezett katalizátor. Ennek az áttörésnek a gyakorlati haszna az emberiség számára szinte beláthatatlan horderejű – hangsúlyozta Pál Gábor. – A szintetikus vegyipari eljárások, amelyekkel az anyagokat előállítják, sokszor nagy környezetterheléssel járnak. Az irányított fehérjeevolúció számos ilyen esetben új, környezetbarát alternatívát biztosíthat. Ilyen például az újfajta üzemanyagok előállítása vagy a mostaninál hatékonyabb gyógyszermolekula-szintézis. A felhasználási területek számának csak az emberi fantázia szabhat korlátokat – magyarázta Pál Gábor.