Что дало человечеству открытие направленной эволюции ферментов?
Проблема, которую решала Арнольд
Природные ферменты — результат миллиардов лет эволюции, и они прекрасно работают в условиях живой клетки: при температуре тела, в водной среде, при определённом pH. Но человечеству нужны катализаторы для задач, которых в природе не существует: проводить реакции в органических растворителях, при высоких температурах, с субстратами, которые никогда не встречались в живых организмах.
Традиционная химия для таких задач опирается на мощные растворители, тяжёлые и драгоценные металлы, токсичные кислоты. Арнольд мечтала заменить их инструментами, созданными самой природой, — только «перенастроенными» под нужды человека.
Что изменила направленная эволюция
Метод Арнольд — это, по сути, искусственный отбор для молекул, аналог того, как фермеры тысячелетиями выводили породы животных и сорта растений. Только вместо поколений скота — поколения ферментов в пробирке, и вместо десятилетий — недели.
Главное отличие от рационального конструирования белков: направленная эволюция не требует понимания каждого шага. Она работает как «чёрный ящик», который даёт результат. Вносишь случайные мутации, отбираешь лучшие, повторяешь — и через несколько циклов получаешь фермент с нужными свойствами, которые невозможно было предсказать заранее.
Конкретные результаты
1. Ферменты, работающие в органических растворителях. Первый эксперимент Арнольд (1993) — субтилизин E, активность которого в диметилформамиде выросла в 256 раз. Это открыло дорогу к проведению реакций химического синтеза в неводных средах, что часто необходимо в промышленности.
2. Реакции, не существующие в природе. Лаборатория Арнольд создала ферменты, образующие связи углерод–кремний и углерод–бор, которые никогда не встречались в живых организмах. Для связи C–Si хватило трёх аминокислотных замен в цитохроме c бактерии из исландских гейзеров — эффективность 99%, в 15 раз выше и чище, чем у синтетических катализаторов.
3. Биотопливо. Эволюционированные ферменты заставили кишечную палочку производить изобутанол — перспективное биотопливо.
4. Зелёная химия. Эволюционированные ферменты заменяют токсичные катализаторы на основе тяжёлых и драгоценных металлов (рутений, родий, иридий). Реакции идут быстрее, с меньшим количеством побочных продуктов и минимальным воздействием на окружающую среду.
5. Фармацевтика. Эволюционированный фермент синтезирует циклопропановый фрагмент тикагрелора (препарат от тромбозов) почти эксклюзивно из четырёх возможных стереоизомеров — то есть лекарство получается чище и безопаснее.
Масштаб влияния
Сегодня направленную эволюцию ферментов используют сотни исследовательских групп по всему миру — и в фундаментальной науке, и в промышленности. Метод стал стандартным инструментом биоинженерии: позволяет создавать ферменты с улучшенной специфичностью, активностью, стабильностью, растворимостью и устойчивостью к производственным условиям.
Фрэнсис Арнольд взяла дарвиновскую эволюцию, «посадила её в пробирку» и заставила создавать ферменты, которые природа за миллиарды лет так и не придумала — за недели, а не за эпохи, — и эти ферменты сегодня производят лекарства, биотопливо и экологичные материалы, заменяя токсичную химию.