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El poder de
la evolución se revela a través de la diversidad de la
vida. El Premio Nobel de Química 2018 se otorga a
Frances H. Arnold, George P. Smith y Sir Gregory P. Winter
por la forma en la que han desentrañado algunos de los
mecanismos usados en el proceso evolutivo y los han
utilizado en beneficio de la humanidad. Las enzimas
desarrolladas por la evolución se usan ahora para producir biocombustibles y
fármacos, entre otras cosas. Los anticuerpos desarrollados
utilizando el método llamado phage display pueden
combatir las enfermedades autoinmunes y, en algunos casos,
curar el cáncer metastásico. |
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Frances Arnold
en lugar de producir fármacos, plásticos y otros productos
químicos utilizando la química tradicional, que a menudo
requiere disolventes fuertes, metales pesados y ácidos
corrosivos, lanzó la idea de utilizar las herramientas
químicas de la vida: las enzimas, que
catalizan las reacciones químicas que tienen lugar en los
organismos vivos. Si aprendemos a diseñar nuevas enzimas
podremos cambiar radicalmente la química. |
A principios de la década de
1990 Frances pasó a inspirarse en el método que la naturaleza usa
para optimizar la química: la evolución.
Durante varios años
intentó modificar una enzima llamada subtilisina
(serina endopeptidasa)
para que, en lugar de
catalizar reacciones químicas en solución acuosa,
funcionara en un disolvente orgánico, la dimetilformamida
(DMF). Produjo cambios aleatorios (mutaciones) en el
código genético de la enzima y luego introdujo estos genes
mutados en bacterias que producían miles de variantes
diferentes de subtilisina.
Después el desafío consistió
en descubrir cuál de todas estas variantes funcionaba
mejor en el disolvente orgánico. En evolución hablaríamos de
supervivencia del más apto; en evolución dirigida esta
etapa se llama selección.
Frances Arnold utilizó el
hecho de que la subtilisina descompone la proteína de la
leche, la caseína. Luego seleccionó la variante de
subtilisina que fue más efectiva para descomponer la
caseína en una solución con un 35 % de DMF. Posteriormente
introdujo una nueva ronda de mutaciones aleatorias en esta
subtilisina, que produjo una variante que funcionó incluso
mejor en DMF.
En la tercera generación de
subtilisina, encontró una variante que funcionaba 256
veces mejor en DMF que la enzima original. Esta variante
de la enzima tenía una combinación de diez mutaciones
diferentes, cuyos beneficios nadie podría haber previsto
de antemano.
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El principio subyacente en la evolución dirigida de las
enzimas. Después de unos pocos ciclos de evolución
dirigida, una enzima puede ser varios miles de veces más
efectiva. |
Con esto Frances Arnold
demostró el poder del azar y la selección dirigida para
lograr el desarrollo de nuevas enzimas frente a la
racionalidad exclusivamente humana. Este fue el primer y
decisivo paso hacia la revolución que hoy estamos
presenciando. |
En la primera mitad de
la década de 1980, cuando George Smith
comenzó a usar bacteriófagos (virus que infectan a las
bacterias) se tenía la esperanza de que pudieran
usarse para clonar genes. La tecnología del ADN aún
era joven y el genoma humano era un continente por
descubrir. Los investigadores sabían que ese ADN
contenía todos los genes necesarios para producir las
proteínas del cuerpo, pero identificar un gen
específico para sintetizar una proteína determinada
era tan difícil como encontrar una aguja en un pajar.
Usando las nuevas
herramientas disponibles podía insertarse genes en
bacterias que, con un poco de suerte, podrían producir
la proteína a estudiar. Todo el proceso se denominó
clonación de genes y George Smith tuvo la
idea de que se podrían usar los bacteriófagos para
obtener los genes necesarios. |
Los bacteriófagos son
simples por naturaleza. Consisten en una pequeña
cantidad de material genético encapsulado por
proteínas protectoras. Cuando se reproducen inyectan
su material genético en las bacterias quienes producen nuevas copias del material genético del fago
y de las proteínas que forman la cápsula formando
nuevos fagos.
Según George Smith
podría usarse la reproducción de los fagos para
encontrar el gen que codifica una proteína conocida.
Se disponía de grandes bibliotecas moleculares que
contenían fragmentos de varios genes desconocidos. La
idea consideraba que estos fragmentos de genes
desconocidos se podrían introducir en el fago y al
producirse nuevos fagos las proteínas codificadas por
el gen introducido aparecerían en la superficie del
fago formando parte del revestimiento proteico de la
cápsula.
Esto daría lugar a una
mezcla de fagos con multitud de proteínas
en su superficie. En la siguiente etapa, postulada por George Smith, los investigadores pensaron que sería
posible usar anticuerpos con fagos de peces para
extraer proteínas conocidas. Los anticuerpos son
proteínas que funcionan como misiles dirigidos; pueden
identificar y unirse a una proteína específica entre
decenas de miles con precisión extrema. De esta manera
si un anticuerpo que se sabe se une a una determinada
proteína, captura una proteína podrían detectar el gen
de la proteína |
Phage display.
George Smith desarrolló este método para identificar
los genes que codifican una proteína conocida. |
Los anticuerpos son
moléculas en forma de Y; las sustancias extrañas se
adhieren en el extremo alejado de cada brazo.
Greg Winter recopiló información genética
para esta zona del anticuerpo para una de las
proteínas de la cápsula del fago y, en 1990, logró que
el anticuerpo se uniera a la superficie del fago. El
anticuerpo que usó fue diseñado para unirse a una
pequeña molécula conocida como phOx. Cuando Greg
Winter usó phOx como una especie de gancho molecular,
logró identificar el fago con el anticuerpo en su
superficie en una mezcla de cuatro millones de fagos.
Después de esto, Greg
Winter demostró que podía usar phage display para la
evolución dirigida de los anticuerpos. Construyó una
biblioteca de fagos con miles de millones de
variedades de anticuerpos en sus superficies. De esta
biblioteca extrajo anticuerpos que se unían a
diferentes proteínas diana. Luego cambió
aleatoriamente esta primera generación de anticuerpos
y creó una nueva biblioteca, en la que encontró
anticuerpos que se unían más fuertemente con la
dianas. Por ejemplo, en 1994, usó este método para
desarrollar anticuerpos que se unían a las células
cancerosas con un alto nivel de especificidad. |
El principio para la evolución dirigida
de los anticuerpos usando phage display. Este método
se utiliza para producir nuevos fármacos. |
Greg Winter y sus
colegas fundaron una compañía basada en el phage
display de anticuerpos. En la década de 1990
desarrolló un fármaco completamente basado en un
anticuerpo humano: adalimumab. El
anticuerpo neutraliza una proteína, TNF-alfa,
responsable de procesos inflamatorios en muchas
enfermedades autoinmunes. En 2002, el producto fue
aprobado para el tratamiento de la artritis reumatoide
y ahora también se utiliza para tratar diferentes
tipos de psoriasis y enfermedades inflamatorias del
intestino.
El éxito de adalimumab
ha estimulado un desarrollo significativo en la
industria farmacéutica y phage display se ha
utilizado para producir anticuerpos contra el cáncer,
entre otros. Uno de ellos activa las células para que
puedan atacar a las células tumorales. El crecimiento
del tumor se ralentiza y, en algunos casos, pacientes
con cáncer metastásico se han curado, lo que es un
avance histórico en la atención del cáncer. Otro
anticuerpo que ha sido aprobado
neutraliza la toxina bacteriana que causa el ántrax,
mientras que otro frena la enfermedad autoinmune
conocida como lupus; muchos más anticuerpos están
actualmente en ensayos clínicos, por ejemplo para
combatir la enfermedad de Alzheimer.
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Los métodos que los
Premios Nobel de Química 2018 han puesto a punto han
promovido el desarrollo de una industria química más
ecológica, han producido nuevos materiales, se han
fabricado biocombustibles sostenibles y han mitigado
enfermedades y salvado vidas. La evolución dirigida de
las enzimas y el phage display de anticuerpos de
Frances Arnold, George Smith y Greg Winter
han aportado un enorme beneficio a la humanidad y han
sentado las bases para una revolución en la química. |
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