Nagroda Nobla z chemii – komentarz naszego chemika prof. Piotra Stefanowicza
Osiągnięcia tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii umożliwiają wiarygodne przewidywanie struktury białka na podstawie sekwencji aminokwasowej czy też sekwencji genu kodującego dane białko. Problem, który stanowił przez ostatnie pół wieku wyzwanie dla biochemików, został rozwiązany – komentuje prof. Piotr Stefanowicz z Zakładu Chemii Organicznej na Wydziale Chemii UWr.
Od momentu poznania budowy przestrzennej pierwszych białek, biochemików i chemików nurtował problem powiązania kolejności aminokwasów w cząsteczce (określanej jako sekwencja lub struktura pierwszorzędowa) z trójwymiarową strukturą białka. Rozwiązanie go ma duże znaczenie praktyczne, ponieważ to struktura przestrzenna warunkuje funkcje biologiczne białka i określa jego oddziaływania z innymi cząsteczkami. Jej znajomość umożliwia projektowanie nowych leków i szczepionek, a także lepsze zrozumienie, w jaki sposób białka oddziałują ze sobą w komórce.
Znalezienie powiązań między sekwencją a strukturą stało się jeszcze bardziej istotne w XXI wieku: poznanie genomów wielu organizmów pośrednio dało dostęp do sekwencji białek, które mogą one wytwarzać.
Kilka dni temu Nagrodę Nobla z chemii przyznano właśnie za przełomowe osiągnięcia dotyczące teoretycznego przewidywania struktury białek. Połowa przypadła Davidowi Bakerowi. Początkowo rozwijał on program Rosetta, służący do modelowania struktury przestrzennej białek na podstawie ich sekwencji. W toku dalszych badań narzędzie to wykorzystał do projektowania nowych białek, niewystępujących w naturze. Poszukiwał sekwencji aminokwasów, która tworzyłaby przestrzenną strukturę białka o założonych parametrach. W ten sposób powstało na przykład bardzo ciekawe białko o nazwie Top7. Wcześniej, w pracach nad otrzymaniem białek wykazujących na przykład aktywność enzymatyczną wykorzystywano struktury już istniejące w naturze, stopniowo je modyfikując.
Przykładem praktycznego zastosowania metody Bakera jest zaprojektowanie cząsteczki białka, która w selektywny sposób wiąże fentanyl. Potencjalnie można ją wykorzystać do wykrywania tego związku w środowisku.
Białka zaprojektowane przez zespół Bakera zostały następnie otrzymane metodami biotechnologicznymi. Okazało się, że z dużą dokładnością odpowiadają zaprojektowanym strukturom.
Warto zauważyć, że białka mogą wykazywać niewiarygodną różnorodność sekwencji.
I tak na przykład cząsteczka licząca 100 aminokwasów (odpowiadająca najmniejszym istniejącym białkom) może istnieć w 20100 wariantach. Ta niewyobrażalnie wielka liczba przekracza liczbę wszystkich atomów w Kosmosie. W ziemskiej biosferze istnieje prawdopodobnie około kilkuset milionów (czyli ok. 109) białek. Porównanie tych dwóch liczb pokazuje, jak małą część z potencjalnie możliwych białek jesteśmy w stanie poznać eksperymentalnie i jak wiele pozostało do odkrycia.
Pozostałą część nagrody przyznano Demisowi Hassabisowi i Johnowi Jumperowi, którzy przyczynili się do opracowania efektywnego programu komputerowego, pozwalającego na wyznaczenie struktur białek na podstawie ich sekwencji.
Interesujące, że wcześniejsze badania Hassabisa nie dotyczyły ani zagadnień chemii, ani biochemii. Jako utalentowany szachista, zajmował się zastosowaniem sztucznej inteligencji w rozwijaniu algorytmów, które mogłyby konkurować z człowiekiem w grach planszowych.
Opracowane metody Hassabis wykorzystał następnie w przewidywaniu struktury białek i już na początku odniósł spektakularny sukces: jego program AlphaFold umożliwił trafne wyznaczenie 60% struktur, podczas gdy programy konkurencyjne miały efektywność na poziomie 40%. Współpraca z Johnem Jumperem doprowadziła do modyfikacji stosowanego modelu i opracowanie kolejnej wersji programu (AlphaFold2). Dzięki niej teoretyczne struktury białek okazały się niemal całkowicie zbieżne z danymi krystalograficznymi.
Osiągnięcia tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii umożliwiają wiarygodne przewidywanie struktury białka na podstawie sekwencji aminokwasowej czy też sekwencji genu kodującego dane białko. Problem, który stanowił przez ostatnie pół wieku wyzwanie dla biochemików, został rozwiązany.
prof. Piotr Stefanowicz z Zakładu Chemii Organicznej na Wydziale Chemii UWr, kierownik Zespołu Inżynierii Peptydów https://chem.uwr.edu.pl/wydzial/struktura-wydzialu/zespoly-badawcze/zb-3-zespol-inzynierii-peptydow/
Zobacz również:
Nagroda Nobla z chemii – komentarz prof. Łukasza Opalińskiego
Nagroda Nobla z medycyny – komentarz prof. Rafała Bartoszewskiego z Wydziału Biotechnologii UWr
Nagroda Nobla z fizyki – komentuje prof. Krzysztof Graczyk
prac. Katarzyna Górowicz-Maćkiewicz
Data publikacji: 11.10.2024
Dodane przez: A.M.
