Allgemein, Chemie

Chemie Nobelpreis 2018

Konkret geht die eine Hälfte des Preises an Frances H. Arnold “for the directed evolution of enzymes”. Also die gerichtete Evolution von Enzymen.

Die zweite Hälfte des Preises wird an George P. Smith und Sir Gregory P. Winter vergeben “for the phage display of peptides and antibodies”. Also den Phagen-Display von Peptiden und Antikörpern.

Um was geht es?
Evolution hat über milliarden Jahre Lebewesen verändert und sie damit an ihre jeweilige Umwelt angepasst. Meist lernen wir die biologischen Organismen in der Schule kennen, aber auch aus chemikalischer Sicht sind diese Vorgänge extrem spannend. Beispielsweise können Fische in Polarregionen im Wasser schwimmen, weil sie Antifrost-Proteine in ihrem Blut haben. Diese entsprechenden Veränderungen oder Anpassungen spezieller Spezien sind in ihren Genen gespeichert. Alle drei Preisträger des Chemie Nobelpreises 2018 haben sich von der Kraft der Evolution inspirieren lassen und verwendeten die gleichen Prinzipien (also genetische Veränderung und Selektion), um Proteine zu kreieren, die Probleme der Menschheit lösen. Eine (R)Evolution der Chemie, wie die Nobelstiftung findet.

Frances Arnold wollte neue Enzyme kreieren, um konkrete Probleme zu lösen. Allerdings kam sie nicht damit weiter, sich theoretisch zu überlegen, was sie an welcher Stelle austauschen müsste, damit das Enzym eine neue Wirkung erhielte, denn Enzyme sind extrem komplexe Gebilde. Also ließ sie sich von der Natur inspirieren und nutze ebenfalls eine Art Evolution. Das folgende Bild veranschaulicht das Vorgehen ziemlich gut:

Zuerst werden zufällige Mutationen in die Gene des Enzyms eingespeist, das verändert werden soll. Als nächstes werden diese Gene in Bakterien eingefügt, die dadurch zufällig mutierte Enzyme produzieren. Anschließend folgt der „Selektionsschritt“: Es werden die veränderten Enzyme getestet, die besten ausgewählt und die anderen entsorgt. Dieser Vorgang wird einige Male wiederholt. Der entscheidende Denkschritt von Arnold war:

Wir müssen genau wissen, wohin wir wollen, aber nicht, wie wir dorthin gelangen

Der zweite Teil des Preises geht an George Smith und Gregory Winter für den Phagen-Display von Peptiden und Antikörpern. In den 1980er Jahren entwickelte Smith den Phagen-Display, eine biotechnologische Methode, bei der Bakteriophagen (ein Virus, der Bakterien infiziert) dazu eingesetzt werden, neue Proteine entstehen zu lassen. Ursprünglich wollte er Gene klonen und benutzte dafür die aktuellsten Forschungsmethoden, die Gene in Bakterien einschleusten, um sie zu reproduzieren, um sie schließlich besser untersuchen zu können. Smiths Idee war, Bakteriophagen zu verwenden, um unbekannte Gene für ein bekanntes Protein zu finden. Genau dies war bis zu diesem Zeitpunkt schwerer als die bekannte Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen. Sein Vorgehen kann man in der folgenden Grafik sehr gut nachvollziehen:

Mit diesem Vorgehen – dem sogenannten Phagen-Display – war es möglich, unbekannte Gene für ein bekanntes Protein zu finden. Ein riesiger Fortschritt! Dass seine elegante Idee tatsächlich funktionierte, konnte Smith 1985 zeigen. Der entscheidende Punkt ist, dass die Methode Proteine und ihre Gene verbindet.
Die Technik war einfach und wirkungsvoll, anders als Smith gedacht hatte, wurde sie aber nicht durch das Klonen berühmt. Im Jahr 1990 begannen mehrere Arbeitsgruppen den Phagen-Display dazu zu verwenden, neue Biomoleküle entstehen zu lassen. Winter nutze diese Methode für eine gerichtete Evolution von Antikörpern und entwickelte die Technik so weiter, dass auch Teile menschlicher Antikörper damit behandelt werden können.

Wofür kann man das gebrauchen?
Das Verfahren der gerichteten Evolution von Arnold wird inzwischen in vielen, verschiedenen Bereichen eingesetzt. Insbesondere bei der Medikamentenherstellung ist ihre Methode ein wichtiger Fortschritt. Die chemischen Reaktionen werden deutlich beschleunigt, es werden weniger Ausschussprodukte produziert und teilweise können die Schwermetalle weggelassen werden, die in der traditionellen Chemie oft verwendet werden. Auch für die Entwicklung von umweltfreundlicherem Treibstoff oder „grünerem“ Plastik wird die Methode verwendet. Arnold und ihr Team arbeiten intensiv daran, die Welt wieder grüner werden zu lassen.
Auch der Phagen-Display von Smith und insbesondere die Anwendung von Winter wurden und werden für die Entwicklung neuer Medikamente benutzt. Das erste Medikament dieser Art wurde 2002 zugelassen und wird gegen Rheumatoide Arthritis, Schuppenflechte und entzündliche Darmerkrankungen eingesetzt. In der Zwischenzeit wurden Antikörper produziert, die Gifte neutralisieren, Autoimmunerkrankungen bekämpfen und in einigen Fällen metastatischen Krebs heilen können. Viele neue Antikörper befinden sich derzeit in der klinischen Testphase, darunter auch welche, die Alzheimer bremsen sollen.

Wer wird ausgezeichnet?
Frances Hamilton Arnold wird als der Star der Enzym-Ingenieure gefeiert. Sie wurde 1956 in Pittsburgh, USA, geboren und studierte Luftfahrttechnik und Maschinenbau an der Princeton University. Sie promovierte 1985 in Chemie-Ingenieurwesen an der University of California in Berkeley. Nach ihrem Studium arbeitete sie an erneuerbaren Energien, vor allem der Solarenergie. Ab 1981 wechselte sie ihr Forschungsfeld dann zur DNA Technologie. Arnold ist Professorin für Chemieingenieurwesen, Biochemie und Bio-Ingenieurwesen am California Institute of Technology (Caltech) und hält die Dick and Barbara Dickinson Professorship.

George P. Smith wurde 1941 in Norwalk, USA, geboren und 1970 an der Harvard University in Bakteriologie und Immunologie promoviert. Er ist inzwischen emeritiert von seiner Professur der Biowissenschaften an der University of Missouri, USA.

George Smith erhält den Anruf aller Anrufe…

Sir Gregory P. Winter wurde 1951 in Leicester, GB, geboren und 1976 an der University of Cambridge, GB, promoviert. Er ist ebenfalls emeritiert und war Research Leader in der Molekularbiologie, ebenfalls in Cambridge.

 

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Quellen:
Press Release
Popular Science Background

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