Evoluția enzimelor în laborator și premiul Nobel asociat
În cadrul unui interviu, Frances Arnold de la Caltech discută despre evoluția dirijată a enzimelor și cum aceasta a evoluat de la o soluție practică la o metodă larg folosită în ingineria proteinelor.
Arnold explică de ce abordările timpurii bazate pe „design rațional” nu au dat roade, cum arată evoluția dirijată în laborator (mutare, screening și iterație) și de ce alegerile de măsurare determină deseori succesul. De asemenea, ea reflectează asupra premiului Nobel pentru chimie din 2018 și se gândește la modul în care inteligența artificială și instrumentele analitice moderne ar putea accelera următoarea etapă a ingineriei enzimelor.
Întrebată când a început să gândească la știință ca la o carieră și cum a ajuns în inginerie, Arnold recunoaște: „Trebuie să recunosc, nu am înțeles ce voiam să fac până când nu am împlinit 30 de ani, dar știința a fost întotdeauna o opțiune. Eram bună la matematică și curioasă despre lume. Tatăl meu, fizician, mi-a încurajat interesul pentru știință și matematică. Când l-am întrebat ce diplomă ar trebui să obțin, el mi-a spus: «Studiază ingineria mecanică». Și avea dreptate; am avut întotdeauna un loc de muncă.
Această diplomă a fost obținută în inginerie chimică în anii 1980, într-o perioadă în care industria biotehnologică începea să se contureze. Arnold a fost atrasă de ingineria enzimelor pentru că acestea realizează chimia lumii biologice, declarând: „Vreau să construiesc enzime noi pentru a rezolva problemele umane și a face chimie într-un mod curat și eficient.”
Când a realizat că abordarea tradițională de „a proiecta din principii de bază” nu va funcționa, a spus: „După câțiva ani dificili, mi-am dat seama că nimeni nu știa cum să facă asta.” Așa că a decis să se concentreze pe evoluția dirijată, o metodă care se bazează pe mutații aleatorii și screening.
Arnold a explicat că evoluția în laborator seamănă cu reproducerea animalelor: „Faci schimbări aleatoare în ADN-ul care codifică enzima și apoi cauți prin progeniturile rezultate.” A adăugat că este esențial să faci măsurători pe mii de variante pentru a găsi cele cu proprietățile dorite.
Lucrarea sa din 1993 este adesea menționată ca punct de plecare pentru evoluția dirijată. Aceasta a demonstrat că evoluția poate merge în direcții surprinzătoare, alegând o enzimă utilizată în detergenți, un proteaz, și făcând-o să funcționeze într-un mediu neobișnuit: dimetilformamidă. Arnold a spus: „Biochimiștii mi-au spus că era imposibil; eu am spus: «Hai să vedem ce se întâmplă».”
Recepția lucrării a fost mixtă: unii cercetători din mediul academic au considerat-o lipsită de valoare, în timp ce cei din industrie au fost impresionați și au început să colaboreze cu Arnold pentru a găsi soluții la probleme complexe.
Arnold a subliniat importanța strategiei în screening-ul evoluției dirijate, afirmând: „Trebuie să știi ce urmărești pentru a obține ceva util din proces.” A adăugat că, deși nu este nevoie să cunoști cum funcționează o enzimă, sistemul îți arată ce contează.
În 2018, Arnold a câștigat premiul Nobel pentru chimie, devenind prima femeie americană care a obținut acest premiu. „A fost o surpriză uriașă; nu mă așteptam la asta”, a spus ea. „Viața mea a fost ca un tornadă.” După un an plin de activități, pandemia globală a oferit o oportunitate de a lua o pauză.
Premiul a fost acordat pentru o metodă, nu pentru o moleculă specifică, ceea ce reflectă impactul pe care metodele îl pot avea în chimie. Arnold a subliniat aplicațiile variate ale evoluției dirijate, inclusiv enzime terapeutice, biocombustibili și diagnostice.
În ceea ce privește viitorul, Arnold a menționat că inteligența artificială și chimia analitică joacă un rol tot mai important în ingineria proteinelor, spunând: „Următoarea frontieră este de a prezice funcția unei proteine în funcție de secvența sa.”
În concluzie, Arnold își propune să codifice genetic orice chimie rezonabilă în următorii cinci sau zece ani, subliniind importanța instrumentelor analitice și a colaborării în acest domeniu.
