Vinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.xVinaora Nivo Slider 3.x

Нобелевскую премию по химии в 2018 году разделили между собой трое ученых: половина премии досталась американской исследовательнице Фрэнсис Арнольд «за направленную эволюцию ферментов», вторую половину поровну поделили американец Джордж Смит и Грег Уинтер из Великобритании — «за фаговый дисплей пептидов и антител».

Исследования, которые удостоились премии, имеют ярко выраженный прикладной характер, а объединяет их то, что все авторы связаны с разработкой методов для получения полезных для человека белков и пептидов, основанных на имитации естественного «метода» биологической эволюции, а именно — на сочетании случайной изменчивости и неслучайного отбора. Все лауреаты имеют за плечами долгий путь исследовательской работы и множество престижных наград и премий.

Белки (также называемые полипептидами) — это наиважнейший класс биополимеров. Каждый полипептид представляет собой цепочку из соединенных одна за другой аминокислот, количество которых может быть очень разным, от нескольких штук до нескольких сотен, а иногда их может быть даже больше тысячи. Короткие цепочки (менее сотни аминокислот) обычно называют не белками, а пептидами: разница здесь скорее количественная, чем качественная. В природе белки строятся в основном из двадцати разновидностей аминокислот. Полипептидные цепочки далее сворачиваются определенным образом, приобретая разнообразные пространственные конфигурации, превращаясь во что-то вроде деталек конструктора.

 

Примеры белковых молекул, показаны модели их трехмерной конфигурации

Рисунок из статьи L.L. Porter, G.D. Rose, 2012

Важность белков для живой природы невозможно переоценить. Во-первых, белки — это строительные блоки, из которых выстроены и сами живые клетки, и остов межклеточного вещества, к которому клетки прикрепляются. Можно наглядно убедиться, что если взять, к примеру, сердце и удалить из него все клетки (эта процедура называется децеллюляризацией), то белковый остов, который при этом останется, полностью сохранит форму полноценного органа.

Во-вторых, значительная часть белков — ферменты, то есть они являются биологическими катализаторами, которые имеют ряд важных отличительных свойств и преимуществ по сравнению с обычными химическими катализаторами небелковой природы. А именно — необычайно высокую эффективность, специфичность к конкретному типу субстрата и регулируемость: фермент под воздействием определенных внешних факторов или посредством взаимодействия с ним другого белка может переходить из активной формы в неактивную, и наоборот.

В-третьих, некоторые белки — антитела — служат в качестве нанооружия против вражеских агентов (бактерий, вирусов или токсинов), попадающих в организм из внешней среды, выполняя, таким образом, защитную функцию. Это обеспечивается благодаря способности антител прочно связываться с самыми разными молекулами-антигенами.

А еще есть белки-рецепторы, позволяющие живым клеткам воспринимать сигналы (химические или физические) из внешней среды, а также белки-регуляторы, которые управляют реакциями клеток на полученные сигналы, в частности, осуществляя активацию или инактивацию определенных ферментов (белкам-рецепторам и регуляторам посвящена другая нобелевская премия этого года — по физиологии и медицине,

Нет ничего удивительного в том, что люди видят перспективы в приручении этих замечательных молекул для решения широкого круга задач, выходящих за рамки сугубо естественных процессов. Авторы хотели бы создавать новые виды катализаторов, не изобретенных самой природой, а также белки и пептиды, которые бы эффективно связывали любой вид молекул, который нас интересует.

Чтобы получать новые белки с заданными свойствами, их, по идее, нужно сначала изобрести. Свойства белков зависят от пространственной конформации белковой молекулы, а также от распределения в молекуле электрических зарядов. Эти характеристики, в свою очередь, определяются свойствами аминокислот, из которых построен белок. Причем важно не только, какие аминокислоты и в каком количестве входят в цепочку, но и в каком порядке они расположены. Теоретически, зная свойства аминокислот и строение полипептидной цепочки, можно было бы предсказывать конфигурацию и химические свойства конечного белка. А раз так, то почему бы не изобретать белки под свои цели точно так же, как инженеры изобретают всевозможные технические устройства — от шариковых ручек до компьютеров? Увы, не все так просто. Дело в том, что зачастую для одной и той же цепочки аминокислот существует несколько возможных устойчивых конфигураций, а кроме того, в момент взаимодействия с другими молекулами в реакционной смеси конфигурация может меняться из-за перераспределения зарядов в молекуле. Все это крайне затрудняет возможности «рационального дизайна» новых необходимых белков и пептидов.

Выход из этого затруднения есть, и он изобретен миллиарды лет назад самой природой — это метод проб и ошибок: генерирование случайного разнообразия с последующим отбором продуктов, обладающих нужными свойствами. Это и есть, по сути, «метод» природной эволюции белков, и именно за приручение принципа дарвиновской эволюции в целях лабораторной белковой инженерии и была вручена в этом году нобелевская премия по химии.

Необходимость применения метода случайного поиска говорит нам о том, как мало мы еще знаем и насколько слабы наши предсказательные возможности. Но по мере того, как накапливаются знания, приобретенные методом проб и ошибок, мы все же двигаемся в сторону повышения разрешения картинки, по которой мы судим об окружающем мире.

© 2015-2019 vseobiology.ru | При использовании материалов сайта - прямая ссылка на vseobiology.ru обязательна.

Электронный адрес для связи artemchichkov@gmail.com

^ Наверх