Poole preemiast pälvis California Tehnikainstituudi professor Frances H. Arnold. Professor kasutas esimesena uute ensüümide, keemilisi reaktsioone kiirendavate valkude loomiseks suunatud evolutsiooni. Tänapäeval leiavad selliselt loodud ensüümid tootmisprotsessides rakendust praktiliselt kõikjal, alates biokütuste tootmisest lõpetades ravimite valmistamisega.

Teise poole preemiast jagasid omavahel George P. Smith ja Gregory P. Winter. Missouri Ülikooli professor George Smith töötas kasulike valkude loomiseks välja uue meetodi, mis põhineb bakterite viirusega nakatamisel.

Trinity Kolledži professor Gregory Winter kasutas Smithi loodud meetodit uute ravimite välja töötamiseks. Nüüdisajal toodetakse sel moel antikehi, mis aitavad näiteks mürkide, autoimmuunhaiguste ja mitmesse organisse levinud vähi vastu.

"Käesoleva aasta keemia Nobelid on austusavaldus inimestele, kelle juurutatud uued meetodid ja rakendused sillutavad teed tuleviku sünteetilisele bioloogiale. Teaduse ja tehnoloogia harule, kus me mitte ei uuri eksisteerivaid rakke ja valke, vaid konstrueerime uute omadustega rakkusid ja valkusid," leidis Tallinna Tehnikaülikooli geenitehnoloogia professor Erkki Truve.

BREAKING NEWS:
The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Chemistry 2018 with one half to Frances H. Arnold and the other half jointly to George P. Smith and Sir Gregory P. Winter. pic.twitter.com/lLGivVLttB

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 3, 2018

Frances Arnold võttis oma katsetes esimese sammuna kasuliku ensüümi valmistamise eest vastutava geeni ja tekitas selles erinevaid mutatsioone. Geen lisati seejärel bakteri pärilikkusaine sekka, mille peale hakkas tootma mikroob uute omadustega valku. Viimaks uuris Arnold, kas keemilised reaktsioonid toimusid muudatuste mõjul kiiremini või aeglasemalt.

Halvemini töötanud ensüüm visati prügikasti. Paremini töötanud ensüümi kodeeriv geen saadeti aga uuele ringile ja tehti selles täiendavaid muutusi. Sarnasel põhimõttel töötab evolutsioon. Eksisammud praagitakse pikapeale välja, eeliseid pakkuvad mutatsioonid antakse edasi. Kõik toimub ainult palju pikemal ajaskaalal.

Idee käidi välja juba 1980. aastate keskpaigas. Toona polnud Tartu Ülikooli molekulaarse süsteemibioloogia professori Mart Loogi sõnul aga selle teoks tegemiseks piisavalt suure läbilaskevõimega skriinimismeetodeid ega ka ensüümide aktiivsuse mõõtmiseks kasutatavaid sensoreid. Samuti puudusid väga tundlikud aparaadid nende sünteesitavate ühendite määramiseks.

"Tänapäeval teevad pipeteerimisrobotid kümneid tuhandeid rakukatseid või biokeemilisi katseid päevas. Niimoodi saab välja arendada tööstuslikke ensüüme või rakuvabrikuid, mis sünteesivad keerulisi ja kalleid kemikaale ning ravimeid," märkis Loog.

Lisaks on võimalik luua meetodit kasutades täiesti uusi keemilisi reaktsioone läbiviivaid valke. Tõsi, teatud piirini. Valmistatavad molekulid võivad muuta teatud kontsentratsioonis ensüümi omadusi või olla rakule mürgised. "Siin on kontsentratsioonide piirid ees. Vaid väike osa tööstusliku orgaanilise sünteesi reaktsioonidest on mõttekas teha ensüümidega," laiendas professor.

George Smith lisas täiendava geeni DNA lõiku, mis vastutab bakteriviirust – bakteriofaagi – ümbritsevas kestas ehk kapsiidi pinnal leiduva valgu valmistamise eest. Muudetud geen toimetati seejärel bakteriofaage tootva bakteri sisse. Uus peptiid lisatigi faagi kapsiidi. Kindlate antikehade abil õnnestus Smithil nees bakteriofaagid katseklaasist piltlikult välja õngitseda ja kasutada neid juba teistel eesmärkidel.

Bakteriofaagide peal saab katsetada tuhandeid või isegi miljoneid valke kodeerivaid DNA-järjestusi. "Sellise meetodi, nn faag-displei suureks plussiks on kõrge läbilaskevõime, mis on võimaldanud uute omadustega järjestuste otsimist väga suurtest valgujärjestuste raamatukogudest," selgitas Erkki Truve.

Smithi lahendusele toetus Gregory Winter. Esmalt lisas biokeemik bakteriofaagi genoomi jupi huvialuse valgu tootmise eest vastutavast geenist. Ühte tüüpi antikeha kasutamise asemel tootis ta aga väga palju kergelt erinevaid antikehi. Winter valis välja need antikehad, mis haakusid faagi pinnal leiduva valguga kõige paremini.

Seejärel tekitas Winter kõige paremini toiminud antikehade tootmiseks kasutatud geenis täiendavaid mutatsioone ja saatis need uuele ringile. Lõpptulemusena sai ta antikehad, mis seonduvad sihtmärgiks oleva valguga varasemast oluliselt paremini. Nende abil sai neutraliseerida tõhusamalt mürke või võtta organismis sihikule haigustekitajaid ja vähirakke.

Truve tõi välja, et varem oli inimeste valguvastaste antikehade saamiseks vajalik immuniseerida mõnda muud looma. Selle mõjul loomas tekkinud antikehi inimeste haiguste ravimiseks sirgjooneliselt kasutada ei saa. Need tekitavad ise immuunreaktsiooni.

"Kui aga antikeha geenis teatud osad välja vahetada vastavate osade vastu inimese antikehade geenidest, muutuvad antikehad "humaniseerituks". Neid on võimalik kasutada ka teraapias," lisas TTÜ geenitehnoloogia professor Erkki Truve. Vajalike järjestustega antikehade fragmentide leidmiseks ei pea meetodit rakendades isegi otseselt loomadega katseid tegema.

Mart Loog märkis, et auhinnatud meetoditega tegelevad mitmed teadusrühmad ka Eestis. "Meie teeme küll faag-displeid koostöös välispartneritega, kuid meetod on töös ka kohalikes laborites. Ensüüme oleme muutnud seni veel süstemaatiliste mutatsioonidega, kuid suunatud evolutsioon uute spetsiifilisuste saamiseks on muidugi ahvatlev võimalus," laiendas professor.