Нобелова награда за използване на идеите на Дарвин за изработка антитела и катализатори

Франсис Арнолд. Увеличи / Frances Arnold.Caltech

Еволюцията е мощна творческа сила – просто погледнете целия живот около нас за доказателства. И човечеството е впрегнало това творчество процес за производство на огромно разнообразие в нашите домашни животни и култури. Но това е дългосрочен проект, включващ много поколения и много години, които заемат.

Тази година Нобелова награда по химия отива на трима изследователи който измисли как да накараме еволюционните процеси да работят за нас нивото на отделните молекули и го ускоряват до точката където резултатите са били достъпни за седмици или месеци, а не години. Резултатите са включили протеини, които катализират образуване на химически връзки живот никога не е създал и антитела които могат да се свържат с всяка молекула по наш избор. Тези резултати имат вече намериха своето място в промишленото производство и медицината лечения.

Катализатори

Половината от наградата отива на Франсис Арнолд от Калтех развитие на насочена еволюция на ензимите. Целта на режисираната еволюцията е да се създаде ензим или катализатор, който изпълнява химическа реакция по наш избор, дори и да е такава напълно безполезен за организма ензимът се развива в. Арнолд съставете процес, който в ретроспекция изглежда очевиден, но не се извършва систематично преди нейната работа.

Започва с избора на подходящия ензим, който да се използва като еволюционна суровина. Арнолд призна, че дори за случаи където реакцията не се осъществява от някакви известни живи същества, има и такива често свързани реакции, които се катализират от известни ензими. в В много случаи тези ензими могат да имат малко частица от катализатора дейност, която искаме, предоставяйки отправна точка за еволюцията.

Оттам трябва да направите случайни промени в ДНК, които кодира ензима, за да осигури възможности за подобрена функция. Лабораторията на Арнолд разработи два метода за това. Едно беше да ги направим наистина случайно, което беше постигнато чрез копиране на ДНК с помощта на ензим, който беше предразположен към грешки (способността му да разпознава кога използвана грешна база беше изтрита). Друго беше да се съсредоточи случайно мутации, при които е най-вероятно да имат ефект – в активно място, което се свързва с химикали и катализира реакциите. Друга изследователска група разработи трета: смесване и съвпадение на части от няколко свързани ензими от различни видове.

Тези подходи осигуряват вариациите, при които еволюцията може да работи На. Но ключът към еволюцията е селекцията – намирането на тези няколко случаи в море от вариации, които правят каквото искате. Да се демонстрирайки своя подход, Арнолд избра проста цел: дайджест а протеин, който е оцветен. В резултат на това всяка бактерия, която е носила a вариантната форма на ензима, който усвоява протеина, ще се окаже заобиколен от бистър, безцветен ореол. Тези бактерии могат да бъдат избран като изходен материал за друг кръг от еволюцията, с допълнителни случайни промени, последвани от друга кръг на избор.

Арнолд показа, че това може да доведе до различни промени. Над многократни кръгове на селекция, еволюират ензими, които могат да работят при по-високи или по-ниски температури – или в един случай – високи и ниски температури. Чрез постепенно повишаване на концентрациите на мощен индустриален разтворител за няколко поколения, беше друг ензим еволюира, че все още може да работи в 60-процентов разтворител / 40% водна смес. Създаден е друг ензим, който може да се образува въглерод-силициеви връзки, нещо, което не се е виждало в нито един живот организъм.

Благодарение на пионерската работа на Арнолд, други са измислили как за извършване на процеса без нужда от бактерии, ускоряване още повече. И докато процесът все още изисква това хора измислете умна схема, която да изберете за каталитичната активност те искат, това не е много бариера. Изкуствено участващите ензими сега се използват за производство на биогорива, детергенти, химикали и фармацевтични продукти. В някои случаи цели пътищата на еволюиралите ензими са събрани, за да преминат от просто изходен материал до полезен краен продукт за няколко химикала стъпки.

Избор и показване

Джордж Смит от Университета на Мисури, Колумбия споделя друга половина на наградата за намиране на начина, по който да се изпълни свързано вид еволюционна селекция. Техниката му се нарича „фаг дисплей “и разчита на вирусите (наречени фаги), които заразяват бактерии. Той получава над едно от най-големите предизвикателства на подход, създаден от Арнолд: много от протеините, които бихме искали по подразбиране се съхраняват вътре в бактериите, в които се произвеждаме тях. За разлика от тях са химикалите, с които бихме искали да взаимодействаме държани извън бактериите.

Фаговият дисплей преодолява този проблем, като гарантира и двете протеин и генетичният материал, който кодира това, се доставят извън клетката и се държат заедно в един и същ вирус. Ключът пробивът тук беше идентифициране на протеин, който е нормален вграден в козината, която покрива вируса и намира място върху него, който може да толерира мащабни промени. Петното е по същество цикъл на протеиновата повърхност и можете значително разширете цикъла, без да пречите на вируса. Смит осъзна че това позволи на изследователите да вмъкнат почти всеки протеин, който те исках в това място в гена и протеинът ще бъде показва се на повърхността на вируса, който го е кодирал.

Смит продължи да генерира вариант на фагов дисплей, наречен “биопаниране”, кръстено на тиганите, които търсещите лица биха използвали отделете редките късчета злато в огромна колекция камъчета. в биопаниране, големи пулове от фаги се правят с различни протеини вмъкват се и след това се предават върху материал, който има молекула интересуваш ли се да се придържаш към него. Всеки фаг, показващ протеин която се придържа към вашата молекула, ще бъде задържана и може да бъде използвана заразяват нови клетки. След няколко кръга от тази селекция (с или без мутация), получените фаги ще кодират протеини с висок афинитет към молекулата по ваш избор.

Това може да бъде полезно за различни неща, от научни изследвания до генериране на полезни протеини. Но медицината е открила много полезност при използването на човешки антитела за свързване със специфични протеини, тъй като имунната система разглежда тези антитела като нормални, а не а чужд протеин за атака. Грегъри Уинтър споделя тази половина от награда за намиране как да промените фаговия дисплей, за да работите антитела.

Антителата всъщност са големи комплекси от четири молекули, две лек и два тежки протеина. Частта, която се свързва с чуждото материал се намира на границата между една лека и една тежка протеин, което затруднява работата, тъй като основната характеристика на повечето антитела – тяхното специфично насочване – обикновено се разделят навсякъде два протеина. Смит измисли как да вземе ключовите части на гени за тези региони, комбинирайте ги в един ген и след това вмъкнете този ген във фагов протеин. Полученият хибриден ген би гарантирал, че ключовите части на антитялото са били изложени на извън фага, наличен за видовете селекции, които Зимата се разви.

Изолирането на полезни антитела обикновено е участвало в работата с мишки и множество кръгове на имунизация в течение на месеци, последвано от много култивиране на миши имунни клетки. А сега еквивалентен процес може да се извърши за седмица с помощта на фагов дисплей. След като бъдат изолирани, ключовите части от инженерния ген могат да бъдат отрязани навън и се слепват обратно в нормален човешки антитяло ген, създавайки цял комплекс, с който е работила имунната система.

Допълнителна информация

Лечения, които причиняват имунната система да атакува рака, печелят a Нобелова

Естествено, фармацевтичната индустрия бързо разпознава потенциал за създаване на антитела, които биха могли да се свържат с която и да е молекула искаше да се насочи. (Понеделник „Медицина Нобел“ даде някои страхотни примери за тези видове полезни цели.) Първата лекарство на базата на антитела, разработено по тази техника, достигна до пазар през 2002 г. и оттогава се присъединява от други.

Четене на всичко по-горе за еволюцията, бактериите и вирусите може да ви накара да се замислите как може да е била тази работа награден за химия. Затова си струва да се отдръпнете и да помислите за това, което всъщност се постига чрез техниките разработени победители. Ако не сте използвали еволюцията, за да го направите, проектиране на химикал, който може да се свърже с произволна молекула от изборът ти обикновено се нарича “материали наука. “И ако сте предложили на химик възможността да развие катализатор за всяка огромна гама химически реакции – тази, която биха работили при температура и разтворител по техен избор – вие бихте направи този химик изключително щастлив.

Всичко това е най-решително химията. Просто е това еволюцията реши много проблеми от химията много преди нас Направих.

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: