دانشمندانی که تکامل را موضوع کار خود در آزمایشگاه قرار دادند، برنده‌ی نوبل ۲۰۱۸ شیمی شدند.
فرانسیس آرنولد از موسسه ی تکنولوژی کالیفرنیا در پاسادنا برای کار خود روی “تکامل جهت‌دار” آنزیم‌ها، پروتئین هایی که واکنش های خاصی را کاتالیز می کنند، برنده ی نیمی از یک میلیون دلار جایزه نوبل ۲۰۱۸ شیمی شد. آنزیم هایی که از تحقیقات او حاصل شد، گسترش راه هایی برای ساخت داروهای کلیدی و فرآیند های محیط زیست دوستانه تری برای ساخت ترکیبات شیمیایی صنعتی را ممکن ساخت. جورج اسمیت از دانشگاه میسوری کلمبیا و گریگوی وینتر از انجمن تحقیقات پزشکی لابراتوار زیست شناسی مولکولی در کامبریج، انگلستان، مشترکا برنده‌ی نیمه‌ی دیگر جایزه ی نوبل ۲۰۱۸ شیمی، برای کار خود روی تکامل آنتی بادی ها، پروتئین هایی که سیستم ایمنی برای تشخیص مهاجم استفاده می کند، شدند. یافته های آن ها باعث شدند آنتی بادی های خاص در مقیاس های بسیار بزرگ تولید شوند؛ که باعث ایجاد درمان های جدیدی برای بیماری های خود ایمنی، سرطان ها و سایر عوارض خواهد شد.
کلاوس گاستافسون، عضو کمیته داوران نوبل ۲۰۱۸ شیمی امروز صبح گفت :
جایزه‌ی نوبل ۲۰۱۸ شیمی به انقلاب بر اساس تکامل رسید. برندگان ما در واقع اصول داروین را در لوله‌های آزمایش تست کردند و از این روش برای توسعه ی انواع جدید مواد شیمیایی برای بیشترین سود انسان استفاده نمودند.
در دهه ی ۱۹۹۰، آرنولد اولین کسی بود که نشان داد چگونه برای تولید آنزیم های جدید از تکامل هدایت شده استفاده کرد. تیم او با آنزیمی که در طبیعت وجود دارد شروع کرد و ژن کد کننده ی آن را منزوی کرد. سپس آن ها از تکنیک های مختلفی برای القای جهش در ژن استفاده کردند و سپس ژن را دوباره وارد باکتری کردند. باکتری ها انواع جدیدی از آنزیم های مختلف را تولید کردند و دانشمندان از ویژگی هایی که خودشان تمایل داشتند، مثل سریعتر بودن در شرایط چالش برانگیز، مثل دمای بالا یا حضور مواد شیمیایی استفاده کردند. آن ها باکتری ها را جمع کردند و آنزیم های دلخواهشان را تولید کردند و در جستجوی یک آنزیم بهتر، دوباره شروع به پردازش کردن آن کردند.
آرنولد،یک مهندس شیمی، می گوید دانشمندان از ایده ی استفاده از آنزیم های تغییر یافته به سرعت استقبال نکردند. “مردم صنعتی، کسانی که مجبور بودند پروتئین های بهتری تولید کنند، گفتند ‘بله، این کاملا منطقی است’ افرادی که می خواستند پروتئین را درک کنند، مبهوت بودند. آن ها می گفتند ‘این علم نیست’ من گفتم ‘خب من مهندس هستم!’ الگو در آن زمان اینگونه بود، شما ساختار را دریافت می کند، از مغز بزرگتان استفاده می کنید تا تصمیم بگیرید چه جهشی ایجاد کنید، می روید و انجام می دهید، و می بینید که کار نمی کند…فقط مهندسان چیزی شبیه جهش زایی رندوم را انجام می دهند.”
با استفاده از این روش، دانشمندان موفق شدند آنزیم هایی تولید کنند که کاتالیز گر واکنش هایی هستند که در طبیعت وجود ندارند. این مسئله گسترش چیزایی مثل تولید سوخت جدید از گیاهان، فرآیند های جدید برای ساخت مواد شیمیایی صنعتی بدون استفاده از فلزات سمی یا حلال های آلی، و داروهای جدید را ممکن ساخت. آرنولد، اولین زن و هشتمین دانشمند زنده دنیا که توسط آکادمی ملی آمریکا برای هر سه زمینه ی علوم، مهندسی و پزشکی انتخاب شده است می گوید: “بسیاری از این انواع متفاوت و مفید بدون جهش زایی رندوم هرگز تولید نمی شدند. ما جهش های مفیدی که پروتئین های بهتری می سازد را سریعا پیدا کردیم. وقتی که رفتیم و آن ها را روی ساختار پروتئین ها پیاده کردیم، فهمیدیم که هیچ کس نمی تواند آن ها را پیش بینی کند. جهش های مفیدی که به عملکرد کمک می کردند در سراسر پروتئین گسترش پیدا کرده بودند. ما نمی توانستیم آن ها را توضیح دهیم چه رسد به اینکه پیش بینی کنیم. متاسفانه امروزه هم وضعیت همانطور است.”
دو برنده دیگر، اسمیت و وینتر، همچنین روش هایی را برای مهار تکامل و میکروارگانیسم ها برای تولید پروتئین مورد نظر – در این مورد آنتی بادی ها به جای آنزیم ها پیدا کردند.آنتی بادی ها پروتئین هایی هستند که سیستم ایمنی تولید می کند تا مهاجمان خارجی را تشخیص دهد و آنها را برای حمله علامت گذاری کند.دانشمندان از آنها به روش های بسیار متنوعی برای تشخیص و شناسایی پروتئین های خاص استفاده می کنند.
در دهه ۱۹۸۰، اسمیت یک روش برای استفاده از فاژ ها، ویروس هایی که باکتری ها را آلوده می کرد، برای ساخت قطعات پروتئین های خاص و “نمایش” آنها در سطح باکتری ها توضیح داد. این امر دانشمندان را قادر می سازد تا روی آنتی بادی هایی که به طور خاص به پروتئین های کلیدی مرتبط هستند تمرکز کنند. این امر هم چنین به دانشمندان اجازه داد دقیقا بفهمند که کدام آنتی بادی پروتئین های کلیدی را شناسایی می کند. این امر مخصوصا برای دانشمندان با آنتی بادیهای مونوکلونال مفید بود، آنتی بادی های تولید شده مصنوعی که کپی کربنی از یکدیگر هستند.
وینتر راهی برای به دست گرفتن کنترل اوضاع پیدا کرد: او تکنیک توسعه یافته توسط اسمیت را برای جدا کردن فاژ هایی که بخش های کلیدی آنتی بادی ها در سطح آنها است، استفاده کرد. این یک پیشرفت بزرگ بود زیرا به دانشمندان اجازه می داد به طور مستقیم ژن هایی را که آنتی بادی های تقریبا هر پروتئینی را ایجاد می کنند، دنبال کنند. (به طور سنتی، دانشمندان با تزریق پروتئین به حیوانات آزمایشگاهی آنتی بادی ها را تولید می کردند و سپس آنتی بادی ها را از خون حیوانات بر می داشتند. اما این ترکیبی از آنتی بادی های مختلف را به آنها میداد که بعضی از آن ها به یک پروتئین داده شده محکم تر از دیگر پروتئین ها متصل می شدند.)
تکنیک وینتر به محققان اجازه داد تا، مثلا، یک آنتی بادی انسانی بسیار خاص برای پروتئینی به نام TNF-α تولید کنند که نقش بسیاری در بیماری های خودایمنی بازی می کند. آنتیبادی که adalimumab نامیده می شود، برای درمان آرتریت روماتوئید، پسوریازیس و بیماری التهابی روده استفاده می شود.
وینتر در کنفرانس مطبوعاتی امروز در کمبریج گفت: “من هیچ ایده ای نداشتم [این تکنیک] می تواند تا حد زیادی موفقیت آمیز باشد. در دهه ۱۹۹۰، صنعت داروسازی توسط شیمیدان ها اداره می شد. برای آنها یک دارو یک ماده شیمیایی بود. آنها اعتقاد نداشتند که آنتی بادی ها ممکن است درمانی باشند.” وی افزود: “این زمینه هنوز به سرعت در حال پیشرفت است.” تیم خود او در حال حاضر در حال مطالعه آنتی بادی کوچکی بر اساس پپتیدها، به نام دوچرخه، است. وینتر گفت: “آنها دارای خواص دارویی متفاوت با آنتی بادی هستند. اما می توانند به عمق بافت ها و سرطان ها نفوذ کنند.”
دیوید لیو، کارشناس شیمیدان و متخصص تکامل در دانشگاه هاروارد، می گوید: “جایزه به طور ویژه ای توانایی استفاده از تکامل پروتئین را برای حل طیف گسترده ای از مشکلات علوم مولکولی را به رسمیت شناخت. من کلاهم را برای احترام به به اسمیت، وینتر و آرنولد برای کمک به این رشته ی چند شاخه ای است که شیمی، زیست شناسی مولکولی و علم پروتئین را به طور زیبایی ادغام می کند، بر می دارم.”
الیور جونز، یک شیمیدان در دانشگاه RMIT در ملبورن، استرالیا، در بیانیه ای منتشر شده توسط رسانه مرکز علمی بریتانیا، اظهار داشت: “در نگاه اول، ممکن است به نظر برسد که نوبل ۲۰۱۸ شیمی دوباره زیستی شده است. گاهی فهمیدن اینکه که چگونه یک آنزیم یا فاژ، ‘شیمی’ هستند، دشوار است، اما آن ها واقعا هستند! شیمی در بسیاری از موارد در زندگی ما پایه ریزی شده است، حتی اگر همواره بلافاصله آشکار نباشد و عالی است که این کشفیات به رسمیت شناخته شده است.”
آرنولد صبح روزی که تماس از نوبل را دریافت کرد، قرار بود در یک دانشگاه تگزاس سخنرانی کند. مجله ی Science به او در فرودگاهی رسید درحالی که پس از آنکه مدرسه با بزرگواری سخنرانی را لغو کرده بود، در حال پرواز به کالیفرنیا بود. او گفت: “من قصد دارم به خانه بروم و فرزندانم را ببینم. من قصد دارم به کالتچ برگردم و با دانشجویانم جشن بگیرم.”
وینتر گفت که او “اصلا احتمال نمی داد” که او ممکن است برنده یک نوبل شود، با وجود اینکه در گذشته نامزد شده بود. او گفت: “امروز صبح از استکهلم تماس گرفتند، من از یک جشن کالج برگشته بودم، بنابراین تا به حال آسپرین و قهوه خوردم و در حال استراحت بودم. به این ترتیب، کمی بی حس شدم و فکر کردم، آیا این واقعی است؟ آن ها به من گفتند مراسم به زودی برگزار می شود و اینکه ممکن است شماره کارت اعتباری من را داشته باشند.”
