Нобелевскую премию по химии 2018 г. разделили пополам американка Фрэнсис Арнольд (Калифорнийский технологический институт), награжденная за развитие теории направленной эволюции ферментов, и американец Джордж Смит (Миссурийский университет) совместно с британцем Грегори Уинтером из Кембриджа – за создание метода «фагового дисплея» и адаптации его для наработки терапевтических антител. Достижения лауреатов прокомментировал 9 октября на ежегодной пресс-конференции СО РАН, посвященной итогам Нобелевской недели, к.х.н. В. В. Коваль, заместитель директора по научной работе Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

Нобелевская премия по химии в этом году вручена за два разных достижения, но оба они касаются молекулярной биологии белков, точнее, как указывают многие комментаторы, использования эволюционных механизмов для получения молекул белков и пептидов с заданными свойствами.

К.х.н. Владимир Васильевич Коваль, заместитель директора по научной работе Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

Так, лаборатория Ф. Арнольд, ставшей пятой женщиной-лауреатом Нобелевской премии по химии, занимается направленной эволюцией ферментов. Как мы знаем, ферменты – это белки, которые служат катализаторами всех биохимических реакций, что происходят в клетке, это основа всего «живого». В процессе эволюции природа, безусловно, уже отобрала лучшие по эффективности активные центры и белковые структуры, которые работают наиболее быстро и специфично. Но человек пошел дальше. В современной медицине, в биотехнологии есть очень много задач, когда нужно изменить специфичность или оптимизировать работу живых клеток, и для этого нужно «заставить» ферменты выполнять несвойственные им функции. К примеру, большую часть витаминов сегодня получают биотехнологическим способом, а еще 10 лет назад для этих целей использовался более дорогой и длительный многостадийный химический синтез.

Существует множество ферментов, множество белков – вводить точечные мутации и испытывать каждый вариант слишком долго и дорого. «Просчитать» заранее, какие изменения надо внести в сложную белковую структуру из сотен и тысяч аминокислот, трудно, а зачастую невозможно. Метод направленной эволюции ферментов – это скрининг, работающий по законам природы.

Как все происходит? К примеру, мы хотим определенным образом изменить какой-то фермент, чтобы он приобрел новые свойства. Для этого берем ген, кодирующий нужный фермент, и «в пробирке» генерируем образование случайным образом различных мутантных вариантов этого гена (в том числе и за счет «перетасовки» целых генных фрагментов, как это происходит при формировании половых клеток). Получившиеся ДНК-последовательности с помощью методов генной инженерии помещаем в бактерии, а затем отбираем микроорганизмы с нужной активностью ферментов. Другими словами, мы «копируем» природный эволюционный процесс, но делаем это гораздо быстрее.

Чтобы «ускорить эволюцию» и изменить ген, кодирующий конкретный белок, используют «мутагенную» методику полимеразной цепной реакции (ПЦР), в ходе которой происходит многократное удвоение определенного участка ДНК, но с ошибками-мутациями, получая «бибилиотеку» разных генных вариантов. Затем эти генетические конструкции встраивают и клонируют (размножают) в бактериях E. coli, а затем выделяют бактерии с нужными свойствами. После этого выделить и «прочитать» структуру нового гена – дело техники. Весь процесс может быть повторен неоднократно. Thomas Shafee/Wikimedia Commons

Метод направленной эволюции белков позволяет создавать ферменты с улучшенными свойствами, отсутствующие в природе ферменты, ферменты с расширенной и измененной субстратной специфичностью, «индустриальные» ферменты для биотехнологий. С помощью таких ферментов получают терапевтически значимые молекулы – витамины, антибиотики, ингибиторы и индукторы биохимических процессов и т.д. Сегодня все это – большой кусок индустрии, но при этом и важнейшее фундаментальное направление, судя по взрывному росту числа публикаций. Исследованиями в области направленной эволюции ферментов интенсивно занимаются во всех экономически развитых странах, в первую очередь в США. Подобные работы ведутся и в России, в частности, в СО РАН, однако в целом вклад отечественной науки в эту область, к сожалению, слишком мал.

Вторую половину Нобелевской премии получили исследователи, предложившие использовать для наработки белков с заданными свойствами бактериофаги – вирусы бактерий, которые имеют маленький собственный геном. Красивая идея фагового дисплея была впервые выдвинута Дж. Смитом в статье, опубликованной в Nature еще в 1985 г., когда существовала проблема соотнесения множества уже известных белков с участками ДНК, в которых эти белки закодированы. Последовательность ДНК к тому времени научились успешно секвенировать, но нужно было найти способ узнать, какие из этих расшифрованных фрагментов несут те или иные конкретные гены.

Суть технологии, предложенной для этих целей Смитом, состояла в том, чтобы встраивать фрагменты такой «неизвестной» ДНК в геном бактериофага (ученый предложил использовать для этого фаг M13 – достаточно крупный вирус кишечной палочки). И не в любое место, а туда, где находятся гены, кодирующие собственные поверхностные белки фага. В бактерии фаги размножаются, в результате чего образуется множество вирусных частиц, которые несут на поверхности уже не только свои, но и инородные белки. С помощью специфических антител к конкретному белку мы можем «выудить» из этой армии бактериофаги, несущие этот белок, «прочитать» их геном вместе со «вставкой» и идентифицировать нужный ген.

Принципиальная схема процедуры отбора высокоспецифичных рекомбинантных антител к конкретной мишени-антигену из комбинаторной библиотеки фагового дисплея на основе нитчатых бактерифагов. По: (Тикунова, Морозова, 2009)

В процессе размножения фаги мутируют, поэтому в результате мы получаем обычно целый набор фаговых частиц, которые несут на своей поверхности немного различающиеся варианты белков – так получаются комбинаторные фаговые библиотеки, на основе которых можно вести отбор фагов, несущих белки с нужными свойствами. После секвенирования генома отобранных фагов исследователь получает генетическую конструкцию, которые можно «размножать» биотехнологическим способом.

Второй нобелевский лауреат, Г. Уинтер, адаптировал технологию фагового дисплея для получения антител к определенным антигенам. Он первым ввел в геном фага кусок ДНК, кодирующей фрагмент человеческого иммуноглобулина, ответственного за распознавание других молекул, а затем с помощью фагового дисплея отобрал варианты, наиболее эффективно взаимодействующие с целевой молекулой. С помощью такого подхода он и его коллеги разработали терапевтические препараты на основе антител для лечения аутоиммунных заболеваний, а затем и для применения в онкологии.

Сегодня эту замечательную методику широко используют для самых разных целей, включая отбор белков по специфическим свойствам, направленную модификацию белков, поиск, отбор и наработку терапевтических моноклональных антител, исследования рецепторов и картирования сайтов связывания антител и т.д. С ее помощью можно создавать противораковые препараты направленного действия и безопасные вакцины.

Фаговым дисплеем сегодня пользуются буквально все. В том числе в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН с помощью этой технологии создан препарат Энцемаб от клещевого энцефалита на основе генно-инженерных гуманизированных антител, который успешно прошел доклинические испытания.

Фото: https://commons.wikimedia.org

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2018 г. получили американский профессор Джеймс Эллисон из Андерсоновского онкологического центра при Университете Техаса и японец Тасуку Хондзё из Университета Киото за создание принципиально нового подхода в онкологии – иммунотерапии рака. 9 октября 2018 г., на традиционной пресс-конференции СО РАН, посвященной итогам Нобелевской недели, достижения нобелевских лауреатов прокомментировал к.б.н. С.В. Кулемзин, старший научный сотрудник лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск)

Мысль, что иммунная система человека может сама эффективно бороться с раком, далеко не нова. Еще в начале прошлого века в США была сделана попытка использовать инактивированные патогенные бактерии для активизации иммунитета, чтобы рекрутировать иммунную систему на борьбу с «пятой колонной». В медицинской практике отмечены не единственные случаи, когда раковые опухоли полностью регрессировали.

Старший научный сотрудник лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, к.б.н. Сергей Викторович Кулемзин

Дальнейшее изучение фундаментальных принципов и механизмов работы иммунной системы привело к пониманию главенствующей роли иммунной системы в борьбе с опухолями, которую ведет сам организм. Как известно, в органах и тканях постоянно возникают десятки и сотни мутаций, приводящих к злокачественному перерождению клеток. Однако клетки иммунной системы (Т- и В- лимфоциты, макрофаги, дендритные клетки) с ними успешно справляется – до поры.

В 1990-х гг. исследователи начали уделять большое внимание поверхностным рецепторам иммунных клеток – мембранным белкам, которые служат для передачи молекулярных сигналов разного рода. Некоторые из них могут активировать клетку и направить ее на борьбу с раковой клеткой, другие, напротив, будут подавлять ее «сторожевые» функции. Такие «негативные» сигнальные молекулы могут продуцировать как регуляторные элементы самой иммунной системы (что служит защитой против возникновения аутоиммунных патологических состояний), так и опухолевые клетки.

В результате исследования баланса этих сигналов были обнаружены так называемые чек-пойнты («контрольные точки») – рецепторы, которые служили для передачи очень сильных негативных сигналов, буквально «выключающих» как функции, так и размножение иммунных клеток-убийц. Возникла идея, что если такой рецептор (и, соответственно, негативный сигнал) заблокировать, то равновесие сдвинется в позитивную сторону.

Идея поначалу не была воспринята с энтузиазмом, однако работа в этом направлении продолжилась. Будущий нобелевский лауреат Д. Эллисон предложил использовать антитела к CNLA4 – поверхностному рецептору Т-лимфоцитов. После подавления этих рецепторов иммунные клетки начинали активно размножаться и уничтожать раковые. Японские исследователи работали с «рецептором смерти» PD-1 В-лимфоцитов, показав, что подавление этих рецепторов без дополнительной стимуляции приводит к значительной активации этих клеток.

Но здесь возникает вопрос: если мы будем, используя чек-пойнт ингибиторы, блокировать все сигналы, тормозящие деятельность иммунных клеток, не будет ли это наносить вред здоровым тканям? Не выйдет ли из-под контроля сама иммунная система? Оказалось, что действительно, подобная терапия имеет достаточно много побочных эффектов: слишком активированные иммунокомпетентные клетки у некоторых пациентов начинают атаковать не только опухолевые, но и близлежащие здоровые клетки. Но эти побочные эффекты все же не настолько сильны, чтобы отказаться от иммунотерапии. И сегодня этот вид лечения назначают все большему числу пациентов.

Сегодня в клинической практике в мире применяют семь иммуноонкологических препаратов – блокаторов PD-1, PD-L1 и CTLA-4. В России зарегистрированы препараты Опдиво (ниволумаб) и Ервой (ипилимумаб), а также их комбинация, которые рекомендованы для лечения неоперабельной или метастатической меланомы, лимфомы Ходжкина, рецидивирующего или метастатического плоскоклеточного рака головы и шеи, неоперабельного или метастатического рака мочевого пузыря. В РФ разрабатываются и отечественные иммуноонкологические препараты.

В обычном случае рецептор Т-лимфоцита PD-1 связывается со своим лигандом PD-L1 на клетке опухоли, что тормозит работу иммунной клетки (слева). Если заблокировать PD-L-1 или PD-1, то лимфоцит уничтожит раковую клетку. Источник: cancer.gov

При планировании иммунотерапии рака надо учитывать один важный момент: ингибиторы рецепторов эффективны лишь в том случае, когда клетки иммунной системы в принципе способны распознать клетки опухоли, но из-за внешнего прессинга не способны это сделать. Но дело в том, что далеко не все типы рака, и не у всех пациентов, обладают способностью вызвать иммунный ответ.

Среди онкозаболеваний, наиболее «хорошо» реагирующих на иммунотерапию, – меланома, наиболее часто мутирующий рак, который может достаточно легко распознаваться иммунными клетками. Исторически именно для этого типа клеток были впервые применены чек-пойнт ингибиторы. Но, к примеру, при онкогематологических заболеваниях раковые клетки практически не мутируют, и иммунная система воспринимает их как здоровые. В этом случае применение ингибиторов не имеет смысла. Еще один нюанс: иммунокомпетентным клеткам трудно проникнуть в слишком большие опухоли, и в этом суть второго ограничения, накладываемого на применение иммунотерапии рака. Таким образом, расценивать этот вид терапии как панацею нельзя, но в ряде случаев при наличии сильной иммунной системы можно добиться очень хороших результатов.

В нашей лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН мы также занимаемся разработкой средств иммунотерапии рака. Наше направление – клеточные средства терапии, в частности, CAR T-клетки, генетически модифицированные Т-лимфоциты, которые несут на своей поверхности рецептор, способный распознавать раковые клетки. Т-клетки берут у пациента, а после генной модификации вводят ему обратно. Если раковая опухоль не мутировала, и она не воспринимается иммунной системой как нечто чужеродное, то CAR T-клетки – это то, что нужно, чтобы заставить иммунную систему распознавать конкретный тип рака и уничтожать его.

Наша лаборатория ведет работы по применению CAR T-клеток для терапии онкогематологических заболеваний и рака простаты. На данный момент некоторые испытания проводятся «в пробирке», но некоторые – уже на модельных животных. Надеемся, что нам удастся продвинуть эту технологию дальше, дойти до клинических испытаний. Сейчас сделать это непросто еще и из-за принятия нового федерального закона «О биомедицинских клеточных технологиях».

Читайте по теме: Иммунотерапия рака, или как обучить иммунитет команде «фас!»

Это пародийный аналог Нобелевской премии. На английском языке она называется Ig Nobel Prize. Здесь спрятана игра слов. Nobel prize звучит, как Noble — благородный

В то же время, Ig Nobel звучит, как Ignoble — постыдный

Награда вручается за «достижения, которые заставляют сначала засмеяться, а потом — задуматься». Скоро вы в полной мере поймёте, что это значит, а пока посмотрим, как выглядит сама церемония

Самое потрясающее в этом веселье то, что Шнобелевку вручают крупнейшие учёные, лауреаты настоящей Нобелевской премии, а сама церемония проходит в Гарварде

У лауреата же Шнобелевской премии есть 1 минута на презентацию своей работы, после чего на сцену выходит маленькая девочка и повторяет «Хватит, мне скучно». А также существует традиция бросать бумажные самолётики на сцену. У церемонии даже есть официальный «Хранитель метлы» — профессор физики Рой Глаубер. В 2005 году он не смог быть на своём посту, потому что был занят… Получая Нобелевскую премию

Награда включает и денежный приз: 10 миллиардов долларов. Правда, Зимбабвийских. Валюта, к слову, прекратила своё существование в 2009 году, достигнув инфляции в 231 миллион процентов

Итак, приступим к списку моих любимых Шнобелевских премий:

•В 1992 году премии удостоился русский профессор! Юрий Стручков за 9 лет опубликовал 948 научных статей — по одной каждые 3 дня. Комитет оценил старания отечественного Барри Аллена и вручил ему премию по литературе

•Обратного достигли победители 1993 года. Моррисон, Тополь, Калифф, Ван де Верф, Армстронг и их 972 соавтора опубликовали медицинскую статью, содержавшую в 100 раз больше авторов, чем страниц

•Вы знакомы с мифом, что вода может передавать информацию? Один гомеопат в 1998 году взял Шнобелевскую премию по химии за доказательство, что не только вода способна на это! Его исследование открыло миру, что информация также может быть передана через телефонные линии и интернет

•Премию по медицине в 2006 году получили за занимательный факт о том, что от икоты можно избавиться, благодаря… Ректальному массажу! В следующий раз, когда вы не сможете избавиться от икоты, не говорите, что вы попробовали все методы

•Армия США также удостоилась Шнобелевской премии мира в 2007 году. Их идея состояла в нелетальном оружии. А именно, в гей-бомбе, которая «сделала бы бойцов противника сексуально-привлекательными друг другу». Представьте сурового американского генерала, произносящего это на военном собрании

•В 2008 году голландские исследователи пришли к выводу, что более дорогое плацебо работает лучше

•В 2012 году премии удостоилось правительство США. Приз по литературе был взят за отчёт об отчётах об отчётах, который рекомендовал подготовку отчёта об отчёте об отчётах об отчётах. Представители правительства за наградой почему-то не явились

•В 2013 году физики доказали потрясающий факт о то, что каждый может ходить по воде… На Луне!

•Премии был удостоен даже президент Белоруссии Александр Лукашенко. В 2013 году по политическим причинам был издан указ, запрещающий аплодировать на улице. Президент разделил награду с полицией своей страны за арест по причине нарушения этого указа. Одноруким инвалидом

•Последние, но любимые в моём личном списке победители удостоились премии за исследование котиков, как жидкости. Звучит глупо, ведь все знают, что котики — это 100% жидкость, верно?

Оказалось, что это не совсем так. А котята — гораздо лучшая жидкость, чем взрослые питомцы

На Пикабу уже был пост с полным списком Шнобелевских премий за 2018 год

А если интересны посты об образовании и науке, заглядывайте ко мне в ВК и телеграм