În natură, evoluţia are loc peste eoni: o succesiune de adaptări produc gradat noi trăsături şi specii. Dar evoluţia se poate produce rapid şi în laborator, la scară redusă. Această abordare poartă numele de „evoluţie dirijată”. Detalii, în continuare.
Cercetătorii folosesc "evoluţia dirijată" pentru generarea unor proteine care nu pot fi găsite în natură, cum ar fi medicamente pentru cancer, noi enzime microbiene pentru conversia deşeurilor agricole în combustibil, sau agenţi imagistici pentru imagistica prin rezonanţă magnetică (RMI sau RMN – rezonanţă magnetică nucleară).
Accelerarea evoluţiei proteinelor, în laborator, poate produce molecule utile pe care natura nu le-a creat.
Un anticorp (culoare gri) produs prin evoluţie dirijată se ataşează de molecula ţintă.
credit imagine: Kelly Orcutt
Majoritatea structurilor proteice sunt atât de complexe încât este aproape imposibil de prezis cum le va afecta funcţionarea alterarea acestora. „Astfel că abordarea încercare-şi-eroare a evoluţiei dirijate este, de regulă, metoda cea mai rapidă pentru găsirea unei noi proteine cu trăsăturile dorite”, spune Dane Wittrup, profesor de Inginerie Chimică şi Biologică la MIT (Massachusetts Institute of Technology). El utilizează metoda evoluţiei dirijate pentru descoperirea unor noi anticorpi care ţintesc celulele canceroase.
Asemenea experimente adesea produc proteine pe care cercetătorii nu ar fi reuşit să le producă singuri. „Fiecare zi este ca o dimineaţă de Crăciun”, spune Wittrup.
De exemplu, să presupunem că se doreşte crearea unui anticorp care să se ataşeze de o proteină anume, găsită în tumorile canceroase. Se începe cu un tub de test plin cu sute de milioane de celule de drojdie, proiectate să genereze o varietate de anticorpi de mamifere pe suprafaţa lor. Apoi se adaugă sonde conţinând moleculele care vor deveni ţintă pentru noua proteină, permiţând astfel alegerea acelor proteine care se ataşează de molecule.
Apoi, se vor lua acele proteine care s-au ataşat cel mai bine şi vor fi transformate, în speranţa generării unor proteine superioare. Acest proces se poate efectua prin iradierea celulelor sau prin forţarea lor de a-şi replica ADN-ul printr-o metodă predispusă la greşeli. Acele proteine noi sunt selectate în aceeaşi manieră şi, de fiecare dată, cele mai bune proteine-candidat sunt folosite pentru crearea altor proteine. „La final, vor rezulta proteine care se vor ataşa foarte strâns şi precis”, spune Wittrup. „În laborator, sunt aceleaşi reguli ca şi în evoluţia normală, însă noi putem seta criteriile pentru cine supravieţuieşte”.
Wittrup şi studenţii săi au creat, recent, un anticorp nou care se ataşează strâns de celulele canceroase şi de un compus radioactiv folosit pentru chimioterapie, permiţând un posibil tratament anti-cancer cu o precizie ridicată.
„Elaborată pentru prima dată cu 15 ani în urmă, evoluţia dirijată a devenit comună în majoritatea laboratoarelor şi destul de simplă, încât un student din primul an poate produce o proteină convenabilă în câteva luni”, spune Wittrup.
El împreună cu alte persoane din MIT, printre care se numără şi Bruce Tidor, profesor de Inginerie Biologică şi Ştiinţa Calculatoarelor, au încercat proiectarea mai precisă a proteinelor, cu ajutorul unor modele pe calculator, pentru a prezice în ce manieră vor fi afectate structura şi funcţionalitatea proteinei de către anumite modificări ale secvenţei proteinei. În 2007, simularea lor a produs cu succes o versiune nouă a medicamentului împotriva cancerului, centuximab, care se ataşează de ţinta sa cu o afinitate de 10 ori mai mare decât versiunea originală. Cu toate acestea, această abordare este costisitoare şi funcţionează doar atunci când cercetătorii pornesc cu o cantitate suficientă de informaţii legate de interacţiunile proteinei modelate.
„Într-o manieră limitată, am putea efectua un model raţional”, spune Wittrup. „Peste 50 de ani, poate toată lumea va face acest lucru.”
Articolul reprezintă traducerea articolului Explained: Directed evolution, publicat pe site-ul web.mit.edu.
Traducere: Arseni Ştefan Ciprian
