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Biological Chemistry

Frances H. Arnold, George P. Smith, y Gregory P. Winter reciben el Premio Nobel de Química 

Los tres son premiados por emplear la evolución para la identificación de nuevas enzimas y proteínas de unión

by Celia Arnaud
October 3, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 40

 

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Credit: Caltech, University of Missouri y MRC Laboratory de biología molecular
Frances H. Arnold, George P. Smith, y Gregory P. Winter.

El premio Nobel de Química de 2018 ha sido otorgado a Frances H. Arnold del California Institute of Technology por la evolución dirigida de enzimas y a George P. Smith de la University of Missouri y Gregory P. Winter del MRC Laboratory de Biología Molecular por la presentación en fagos de péptidos y anticuerpos. Arnold percibirá la mitad del millón de dólares del premio; Smith y Winter se repartirán la otra mitad a partes iguales.

El premio de este año “reconoce el valor de emplear la evolución de proteínas a la hora de resolver una amplia variedad de problemas de la ciencia molecular”, asegura David R. Liu de la Universidad de Harvard, quien ha desarrollado una variación de la evolución dirigida llamada evolución continua asistida por fagos. “Me quito el sombrero ante Smith, Winter y Arnold por sus contribuciones en este campo multidisciplinar que integra química, biología molecular y la ciencia de las proteínas de una forma tan bella.”

La evolución dirigida es un método experimental iterativo que involucra mutación y selección, por lo que acelera el proceso de selección natural por el que evolucionó la vida en la Tierra. La técnica de Arnold introduce mutaciones aleatorias en el gen de una enzima inicial, que expresa los genes cambiados en bacterias y selecciona las enzimas mutadas que producen los microbios con la actividad deseada. Al repetir este proceso con las mejores bacterias, los investigadores pueden encontrar proteínas que tienen las propiedades enzimáticas deseadas en términos de actividad, afinidad de unión o especificidad.

Credit: C&EN/ACS Productions
For a look at the research that earned the laureates a coveted call from Sweden, watch our newest episode of Speaking of Chemistry.

Arnold llevó a cabo la primera evolución dirigida de enzimas en 1993. En su trabajo, ella evolucionó una variante de la enzima subtilisina E , que era activa en grandes concentraciones del disolvente polar orgánico dimetilformamida. Tras cuatro rondas de mutagénesis y selección, obtuvo una enzima que era 256 más activa que la enzima original.

Smith escribió sobre la presentación en fagos por primera vez en 1985. En este método basado en librerías para la selección de proteínas que unen una molécula concreta, el gen para cada uno de los miembros de la librería se inserta en el ADN de la proteína cápside III de un fago, un virus que infecta a las bacterias. El fago infecta y se reproduce en las bacterias. Los científicos pueden usar la molécula diana como cebo para enriquecer los fagos liberados por las bacterias que tienen la proteína de unión que les interesa en su superficie.

Secuenciar el material genético de los fagos recogidos da lugar a genes que codifican proteínas con la afinidad de unión deseada.

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Credit: Science
Mediante evolución dirigida, los investigadores cambiaron 12 aminoácidos (círculos rojos) en esta enzima, para dar lugar a una proteína que podía oxidar alquenos de una forma única (Science 2017, DOI: 10.1126/science.aao1482).

Winter amplió la presentación en fagos usándola para la selección de nuevos anticuerpos. En 1990, el equipo de Winter informó sobre la presentación en fagos de un fragmento plegado y completamente funcional de anticuerpo llamado fragmento variable de cadena única. Esta primera demostración sirvió para identificar anticuerpos selectivos que pudieran unirse a la lisozima de la clara de huevo de gallina, pero no a la lisozima humana o a la de un huevo de pavo.

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La evolución dirigida y la presentación en fagos han pasado a ser dos métodos ampliamente usados. C&EN ya destacó a Provivi, una empresa fundada por Arnold y dos de sus compañeros, en la lista de 10 start-ups relevantes de 2015. Provivi emplea enzimas desarrolladas mediante evolución dirigida para fabricar feromonas de insectos destinadas al control de invasiones. Los científicos han empleado la presentación en fagos para identificar anticuerpos con una alta afinidad de unión, que se pueden emplear en fármacos. El primer medicamento aprobado que emplea la presentación en fagos es Humira de Abbvie (adalimumab). Fue aprobado para su uso por la FDA (Administración de alimentos y medicamentos, por sus siglas en inglés) estadounidense en 2002.

“Es un premio maravilloso que reconoce cómo la evolución en el laboratorio ha revolucionado, en unas pocas décadas, nuestra capacidad para modificar las propiedades de biomoléculas y aplicarlas a fines inimaginables en la naturaleza”, afirma Donald Hilvert, un experto en la evolución dirigida del Swiss Federal Institute of Technology en Zúrich.

Tal y como comenta Peter K. Dorhout, presidente de la American Chemical Society, “esto es química. La química es un campo amplio. En el caso de las enzimas evolucionadas se trata de química catalítica y química orgánica. Desarrollar y entender las herramientas fundamentales que nos permiten saber cómo funcionan las células también es química analítica fundamental.”

Traducción al español producida por Juan José Sáenz para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

 

 

 

 

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