Kada je 2017. Frances Arnold dobila Nobelovu nagradu za hemiju, postala je tek peta žena koja je dobila Nobelovu nagradu u ovoj kategoriji. Prva je bila Marie Sklodowska Curie, druga Irene Joliot-Curie, treća Dorothy Crowfoot Hodgkin, a četvrta Ada E. Yonath. Arnold je nagradu dobila za “usmjerenu evoluciju enzima”.
Šta je to “usmjerena evolucija” (directed evolution)? Riječ “evolucija” povezujemo sa živim sistemima, ali ne sa molekulama, čak ni onim kompleksnim, poput proteina, kakvi su enzimi. To je način transformiranja enzima u još efikasnije katalizatore.
Frances Arnold je rođena 25. jula 1956. godine u mjestu Edgewood, savezna država Pennsylvania. Njen otac, William Howard Arnold, bio je nuklearni fizičar, a djed, William Howard Arnold, general u Drugom svjetskom ratu. Kao djevojka učestvovala je u protestima protiv rata u Vijetnamu. U to doba je već živjela samostalno, i kao dosta američke mladeži, radila različite poslove kako bi samu sebe izdržavala. Radila je kao konobarica u džez klubovima i kao taksista. Željela se baviti diplomatijom i poduzetništvom, ali prema njenim vlastitim riječima, shvatila je kako je to previše posla.
1979. diplomira vazduhoplovno inženjerstvo na Princetonu i kao da joj to nije bilo dovoljno, prelazi na Berkeley gdje na kraju doktorira hemiju, nakon čega postaje saradnik na California Institute of Technology, što je institucija na kojoj i danas radi, kao Linus Pauling Professor of Chemical Engineering, Bioengineering and Biochemistry.
Frances je osamdesetih godina počela istraživati enzime, molekule koje u živom svijetu imaju ulogu vrlo specifičnih katalizatora hemijskih reakcija. Tada su naučnici pokušavali redizajnirati molekule određenih enzima, tako da dobiju slične molekule sa drugačijim svojstvima.
„Kako kreirati enzime koji stvaraju hemiju koji ne postoje u bazama podataka? O ovome sam razmišljala godinama. Neki su mogli stvarati enzime koji su prilično loše radili, ali ja nisam mogla čak ni to. Enzimi imaju dijelove molekule koji djeluju tako da smanjuju energiju potrebnu za odvijanje reakcija i tako ubrzavaju hemijske reakcije. Morala sam stvoriti potpuno novi aktivni sajt. Ali priroda stvara nove enzime pod različitim izazovima“, objasnila je Arnold u razgovoru s Jelenom Kalinić za Nauka govori prilikom Lindau Nobel Meetings 2023.
Frances Arnold i Jelena Kalinić
Princip ovog redizajniranja je bio da se nešto promijeni u strukturi molekule enzima tako da ona može djelovati i na nešto drugo. Međutim, problem ovog pristupa ležao je u činjenici da su enzimi proteini, izgrađeni od svega 20 vrsta “cigala” – 20 tipova aminokiselina koje se mogu vezivati u praktično neograničenom broju kombinacija i broju elemenata. Čak ni tu nije kraj jer varijabilnost enzima ovisi i o njihovoj 3D strukturi. Mijenjati ovako kompleksne sisteme i djelovati na njihovu arhitekturu je vrlo težak posao.
„Enzimi su poput diplomiranih studenata – rade nešto, uz malu platu“, dodala je Arnold, „ali bi možda mogli raditi i nešto drugo. Možda svirati klavir ili prati suđe, ako se uslovi okoline promijene. Tako smo se zapitali da li neki protein može raditi i nešto drugo“.
Suočeni sa superiornošću prirode i rezultata procesa koji su se dešavali 3 milijarde godina, naučnici su devedesetih godina počeli odustajati od inženjerskog pristupa u rješavanju ovog problema. Sama Arnold će započeti sa jednim potpuno drugačijim, a opet tako dobro poznatim metodom: evolucijom. Inženjerski metod će jedne prilike nazvati “ponešto arogantnim”.
„Usmjerena evolucija godinama je nevjerovatno dobro funkcioniše i mogli biste se iznenaditi kada znate da su deterdženti za pranje rublja nastali prirodnom evolucijom. Na kraju krajeva, koji prirodni enzim želi djelovati u vašoj perilici rublja?,” našalila se.
Arnold se počinje baviti enzimom subtilisinom, proeteazom (znači da ovaj enzim razgrađuje druge proteine) koja djeluje na peptidnu vezu u vodenoj sredini. Zapravo, enzimi djeluju u vodenoj sredini jer je voda prirodni rastvarač u našem tijelu. Međutim, Arnold je htjela dobiti inačicu ovog enzima koja će moći djelovati u dimetilformamidu (DMF). Sam subtilisin ima veliku komercijalnu vrijednost u industriji i koristi se za rastvaranje mrlja proteinskog porijekla u deterdžentima, zatim u kozmetici, u prehrambenoj industriji.
Enzim se inicijalno dobijao od bakterije Bacillus subtilis.
 |
| Struktura jedne od varijanti subtilisina |
Kako promijeniti protein, u ovom slučaju, enzim? Ključ postupka leži u mijenjaju genetičke šifre za taj protein, dakle u mijenjanju gena. Arnold je kreirala slučajne promjene – mutacije na genu koji kodira subtilisin i onda je te gene tako izmijenjene unijela u bakterije. Takve bakterije su proizvodile nove varijante enzima. Neke od njih su bile inaktivne, a neke aktivne i imale nova svojstva.
Međutim, u doba kada je Arnold ovo radila, metode sekvencioniranja genetičkog koda i induciranja mutacija nisu bile ovako razvijene kao danas. Zapravo, onda je mogla proizvoditi samo slučajne promjene i onda poslije posmatrati šta se desilo sa proteinom. Danas se usmjerena evolucija može raditi i pomoću vektora-plazmida, pomoću transpozona, a možda bi moglo i pomoću CRISPR (nemam podatke da li se ovo radi).
Od dobijenih formi enzima (izo-forme), Arnold je selektirala one koje su bile aktivne u organskom rastvaraču. Zapravo, onda je bila taj selekcioni pritisak, ono što se javlja u prirodi. Subtilisin razgrađuje kazein iz mlijeka i Arnold je krenula istraživati koje to varijante enzima mogu razlagati kazein i kada se nađu u DMF. Pronašla je varijante enzima koje koje su najefikasnije u rastvoru DMF-a i te varijante odvojila.
Zatim je krenula na novi krug mutageneze enzima za subtilisin i dobila još efikasniji enzim. U trećoj rundi (“generaciji”), uspjela je dobiti enzim koji je 256x efikasniji u DMF od originalnog enzima.
Njen rad je potpuna pobjeda stohastičkih procesa, koncepta slučaja i nužnosti i koncepta evolucije, stvari koje se mogu dešavati mimo čiste ljudske racionalnosti, prava kritika “čistog uma” u laboratoriji.
Kada postignete ovakve stvari, i još ste uspješni u poslovnom svijetu, samo nebo je granica i često ljudi pomisle da su nepogrešivi, iygube skromnosti i zaborave kako je nauka provjerljiv sistem. To se nije dogodilo Frances Arnold.
2020. ona povlači svoj rad o enzimatskoj sintezi beta-laktama jer taj rad nije bio reproducibilan, nije se mogao ponoviti sa objavljenim rezultatima. Rad je objavljen u prestižnom AAAS-ovom Science magazine 2019.
“Bolno je to priznati, ali je važno da se to uradi. Svima se izvinjavam. Bila sam jako zauzeta kada sam predala rad i nisam svoj posao dobro uradila“, izjavila je Arnold u tvitu:
Veličanstveno je što je priznala grešku, i radi se o moralno važnom činu za cijelu naučnu zajednicu. Hvala, Frances Arnold!
Za kraj – Frances Arnold je u razgovoru naglasila važnost obrazovanja i nauke.
„Znanje je nada“, rekla je je Arnold. Inače, na intervju je došla sa šalom na kojem su bile printane strukture proteina:
Šal Frances Arnold na Lindau Nobel meetings 2023. sa strukturom enzima
