Evoluția dirijată ca instrument pentru dezvoltarea de noi molecule în medicină și industrie

Articolul face parte din secțiunea Știință, cercetare – șansa noastră.

Natura ca inspirație

Natura este un creator fascinant. Dezvoltarea organismelor durează milioane de ani. În acest timp, organismele vii se schimbă și se adaptează la mediul lor. Acest proces, cunoscut sub numele de selecție naturală, asigură supraviețuirea și reproducerea celor mai eficiente forme de viață. Acest proces poate fi replicat în mod conștient și chiar accelerat în laborator? Datorită metodelor avansate de biologie moleculară, avem deja această posibilitate astăzi.

Cum proteinele alimentează celula și industria

Proteinele, cunoscute și sub numele de proteine, sunt molecule specializate care asigură procesele vieții și funcționarea celulelor. Să ne gândim la proteine ​​ca la niște roboți care îndeplinesc diferite sarcini în celule.

Unele dintre acestea sunt enzime care accelerează reacțiile chimice, asigurând că procesele celulare se desfășoară rapid și eficient. Alte proteine, cum ar fi anticorpii, protejează organismul luptă împotriva virușilor și bacteriilor dăunătoare.

Mai putem aminti de binecunoscutul colagen, care oferă rezistență și elasticitate pielii și țesuturilor. Acesta din urmă este un exemplu de proteină cu funcție structurală.

Dacă vrem să lucrăm cu proteine ​​și să le folosim în afara corpului uman, de exemplu în medicină ca medicamente sau în industrie pentru aplicații tehnologice, în majoritatea cazurilor este necesară modificarea acestor molecule.

Aceasta înseamnă adaptarea acestora astfel încât să-și păstreze funcția chiar și în condițiile – artificiale – create de noi, în afara mediului natural al organismului. Cu toate acestea, acestea sunt schimbări și procese foarte sensibile – chiar și o mică modificare poate afecta semnificativ modul în care funcționează o proteină. Metodele de evoluție direcționată ne oferă o abordare eficientă a modificării proteinelor.

Evoluție într-o eprubetă

Evoluția direcționată este o tehnică inovatoare care permite oamenilor de știință să imite procesul de selecție naturală chiar în laborator. Această abordare face posibilă crearea și, după caz, îmbunătățirea proteinelor, astfel încât acestea să fie mai potrivite pentru aplicații specifice în medicină și industrie.

Cum funcționează? Întregul proces începe cu o genă, care este stocată în molecula de ADN și poartă informația genetică care determină modul în care se formează proteinele în celule. Această genă este „instrucțiunea” pentru construirea proteinei. Dacă schimbăm această „instrucțiune” prin introducerea unei anumite modificări, a unei mutații, în molecula de ADN, la sfârșitul procesului obținem o proteină care poate avea proprietăți diferite față de molecula originală.

Este important de menționat că, deși mutațiile sunt adesea asociate cu efecte negative asupra organismului, mutațiile ADN pot duce, de asemenea, la modificări pozitive care oferă un anumit avantaj organismului. Bineînțeles căutăm proteine ​​cu modificări pozitive.

Ne putem apropia de el folosind exemplul unei rețete de prăjitură. Să ne gândim la ADN ca la o rețetă care conține exact procedura și ingredientele necesare pentru a face o prăjitură. Proteina este prăjitura rezultată – produsul care rezultă atunci când rețeta (ADN) este folosită la preparare.

Dacă există o mutație în rețetă (ADN), este ca și cum am schimbat vreun pas sau ingredient din rețetă. Această modificare poate face ca tortul rezultat să fie diferit. De exemplu, dacă folosim mai puțin zahăr în rețetă, prăjitura va fi mai puțin dulce, ceea ce își va schimba puțin gustul, dar își va păstra totuși forma și utilizarea, și va fi chiar mai sănătos.

Cu toate acestea, dacă am schimbat fundamental instrucțiunile, de exemplu, în loc de o oră, am coace tortul doar 20 de minute, tortul nu va fi copt și, prin urmare, va fi inutilizabil. Mutațiile în ADN au un efect similar asupra proteinelor.

Procesul de evoluție direcționată folosește mici modificări ale ADN-ului care duc la ajustări subtile ale proteinei rezultate. Ne putem gândi la acest proces ca la o serie de pași. Primul pas constă în pregătirea a mii de „rețete” modificate, adică gene mutante, necesare pentru a crea proteinele corespunzătoare. Rezultatul acestui pas este pregătirea unui număr mare de noi gene.

Ulterior, inserăm aceste variante de gene în organismele gazdă, cum ar fi bacteriile sau drojdia, care pot produce noi proteine ​​în funcție de genele date. În pasul final, testăm proteinele produse și le selectăm pe cele care îndeplinesc proprietățile necesare. Repetând procesul menționat, le putem selecta doar pe cele cu cele mai bune proprietăți dintr-un număr mare de proteine ​​noi.

Metoda evoluției dirijate reprezintă astfel o modalitate prin care oamenii de știință pot „reproiectează” moleculele în condiții de laborator pentru a obține proteine ​​cu funcții noi și unice. Această abordare este o imitație a evoluției naturale, dar cu o diferență importantă: oamenii de știință pot schimba proprietățile proteinelor în câteva săptămâni, în timp ce în natură acest proces are loc de-a lungul a milioane de ani.

Unul dintre avantajele evoluției dirijate este că, spre deosebire de abordările tradiționale, nu este necesară cunoașterea structurii proteinei. Este suficient dacă testăm funcția fiecărei variante noi, ceea ce accelerează semnificativ întregul proces de dezvoltare a noilor proteine. Pentru a rezuma într-o singură propoziție, scopul evoluției direcționate a proteinei este de a produce rapid multe variante diferite ale unei anumite proteine ​​și de a selecta cea mai bună.

De la medicină la mediu

În 2018, savantul american și pionierul acestei tehnici, inginerul Frances Arnold, a fost distins cu Premiul Nobel pentru Chimie pentru descoperirea și îmbunătățirea evoluției controlate. Abordarea ei a inspirat multe laboratoare din întreaga lume. Datorită potențialului său mare, evoluția direcționată a devenit rapid un instrument comun, în special în industriile biotehnologice și farmaceutice.

În prezent, prin această metodă, s-a putut dezvolta molecule care sunt folosite ca medicamente noi, dar și în îndepărtarea substanțelor nocive din mediu, în bioenergetică, sau în dezvoltarea de noi materiale.

Scopul principal al evoluției controlate în cercetare biochimică este de a crea proteine ​​cu funcții îmbunătățite sau chiar complet noi. Cel mai adesea, acestea sunt modificări ale enzimelor pentru a le face mai eficiente, pentru a funcționa chiar și în condiții extreme sau pentru a accelera reacțiile chimice care nu apar în mod normal în natură.

V medicina si farmacie evoluţia controlată este utilizată pentru a dezvolta noi substanţe terapeutice sau pentru a modifica medicamentele existente. Scopul este de a îmbunătăți stabilitatea și eficacitatea medicamentelor proteice, precum și de a reduce riscul de efecte secundare, crescând astfel siguranța și eficacitatea tratamentului.

În biotehnologia industrială evoluția dirijată este destul de des folosită pentru a crea catalizatori biologici eficienți care accelerează procesele de producție. Rezultatul sunt procese de producție mai ecologice și mai rentabile, care reduc la minimum consumul de energie și produc mai puține deșeuri.

În sectorul energetic evoluția dirijată își găsește aplicație în dezvoltarea microorganismelor capabile să producă eficient biocombustibili sau enzime capabile să descompună materialul vegetal, care servește apoi ca sursă de bioenergie. Unul dintre aspectele importante ale utilizării metodelor de evoluție controlată este utilizarea acestora în îndepărtarea substanțelor nocive din mediucu așa-numitul bioremediere.

Este un proces prin care microorganismele modificate genetic pot descompune substanțele toxice și astfel pot curăța mediul contaminat. În plus, este posibil să se creeze enzime care accelerează reacțiile ecologice, înlocuind astfel procesele chimice clasice și reducând amprenta ecologică. În laboratoare, prin procesul de evoluție controlată, a fost deja posibilă dezvoltarea enzimelor capabile să descompună materialele plastice, pesticidele, precum și alte substanțe chimice toxice.

Nu în ultimul rând, evoluția controlată deschide și ușa producției materiale biologice inovatoaredeoarece proteinele concepute pentru a se lega de suprafețe specifice pot duce la crearea de noi biomateriale cu proprietăți fizice sau chimice unice.

Evoluție controlată la Universitatea Pavel Jozef Šafárik

În laboratoarele Centrului de Bioștiințe Interdisciplinare din Parcul Tehnologic și Inovare al Universității Pavle Jozef Šafárik din Košice (CIB TIP UPJŠ), folosim evoluția direcționată în special pentru dezvoltarea proteinelor care pot contribui la protecția mediului și sprijină tratamentul diferitelor boli.

Ca parte a proiectelor noastre, cooperăm strâns cu grupurile Prof. Jiří Damborský și prof. Zbyňka Prokop de la laboratoarele Loschmidt de la Universitatea Masaryk din Brno. Scopul nostru este să dezvoltăm dehalogenaze, un grup de enzime importante în îndepărtarea compușilor halogenați nocivi din mediu.

În zona dezvoltării de noi medicamente, ne concentrăm pe trombolitice, medicamente care ar putea ajuta semnificativ în tratamentul cheagurilor de sânge.

Evoluția controlată reprezintă o abordare inovatoare cu potențialul de a schimba nu numai medicina și industria, ci și viziunea noastră asupra protecției mediului. Datorită dezvoltării rapide a tehnologiei și automatizării, evoluția controlată devine o metodă din ce în ce mai accesibilă și mai eficientă pentru rezolvarea provocărilor globale actuale.

Mgr. dr. Maria Tomková.

• lucrează în Centre de bioștiințe interdisciplinare (CIB; ) Parcul de tehnologie și inovare al Universității Pavel Jozef Šafárik din Košice (UPJŠ). CIBeste un centru interdisciplinar axat pe cercetare aplicată la intersecția dintre biologie, chimie, fizică, matematică și informatică, cu accent pe transferul cunoștințelor științifice în practica industrială.
• lucrează în domeniul ingineriei proteinelor și al evoluției dirijate
• domenii cheie de cercetare: metode de evoluție dirijată (ribozom și prezentare a drojdiei), tehnici avansate de biologie moleculară, dezvoltarea trombolitice și cercetarea proteinelor membranare GPCR (receptori cuplati cu proteine ​​​​G).
• activitățile de cercetare sunt susținute prin granturi: din Planul de redresare (număr proiect 09I01-03-V04-00041), VEGA (număr 1/0074/22) și CasProt (grant EU H2020-WIDESPREAD-05-2020 nr. 952333).