Il 3 Ottobre 2018, la Royal Swedish Academy of Sciences ha attribuito il Premio Nobel per la Chimica 2018 a tre scienziati: a Frances H. Arnold, per aver messo a punto un metodo di evoluzione diretta in laboratorio per ottenere nuove varianti di enzimi con particolari caratteristiche, e a George P. Smith e Sir Gregory P. Winter, per aver inventato la tecnica del phage display per evolvere anticorpi. Le ricerche di questi tre scienziati hanno in comune la caratteristica di aver domato i meccanismi dell’evoluzione, riducendone i tempi naturali e ricreando in laboratorio le condizioni che hanno permesso alle forme di vita di differenziarsi durante questi 3.7 miliardi di anni. Queste metodiche vengono ormai applicate quotidianamente nella ricerca e hanno consentito di commercializzare molecole utilizzate in numerosi processi biotecnologici, dalla produzione di biocarburanti alle terapie antitumorali.
L’evoluzione diretta per la produzione di enzimi
Gli enzimi sono molecole, spesso di natura proteica, in grado di catalizzare reazioni biologiche. Gli organismi viventi sono mantenuti in vita grazie alla loro attività, che garantisce il funzionamento del metabolismo. La loro utilità è risultata presto evidente in ambito industriale, quando si è capito che era possibile isolarli e utilizzarli per ottenere prodotti da commercializzare. L’economia stessa si sta trasformando verso un nuovo modello di bio-economia, non solo più eco-sostenibile ma basata sull’utilizzo di catalizzatori biologici. Per mettere a punto processi industriali smart servono enzimi con determinate caratteristiche e in passato l’idea principale consisteva nel progettare queste molecole, una metodica lunga e ardua che portava a pochi risultati, vista la complessità del problema e l’assenza di strumenti adeguati. Nel 1993, Francis H. Arnold conduce il primo esperimento di evoluzione diretta, ispirandosi ai meccanismi di mutazione casuale e selezione naturale che caratterizzano l’evoluzione. L’evoluzione, come già aveva intuito Darwin, non è mai un processo continuo e graduale. Si basa sull’insorgenza di mutazioni casuali, che determinano la comparsa di caratteri più o meno favorevoli alla sopravvivenza dell’individuo. Le condizioni ambientali esercitano una pressione selettiva sugli organismi viventi, portando l’ago della bilancia riproduttiva in favore dei più adatti. Ciò che vale a livello macroscopico, riflette ciò che accade a livello microscopico e può essere sfruttato in laboratorio.
L’esperimento della Arnold è stato effettuato sulla subtilisina, un enzima di grande interesse commerciale in quanto utilizzato come additivo nei detersivi per dissolvere macchie di natura proteica. L’obiettivo era isolarne una variante in grado di funzionare anche in demitilformammide, un solvente di natura organica. Introducendo mutazioni casuali nella sequenza genica che codifica per la subtilisina, ne ha verificato l’attività nel solvente organico, utilizzando i mutanti risultati migliori per compiere un ulteriore ciclo di mutazioni. Ripetendo il processo più volte, ha isolato una subtilisina 256 volte migliore di quella di partenza. Stavolta le condizioni ambientali vengono determinate dal ricercatore e così diventa possibile isolare enzimi più performanti, che permettono di migliorare un processo biotecnologico riducendone i costi. Ne è un esempio la Novozymes, che l’anno scorso ha prodotto due enzimi in grado di aumentare le rese di produzione di bioetanolo.
Il phage display per ottenere farmaci e anticorpi più efficaci
La tecnica di phage display viene oggi utilizzata per studiare le interazioni tra proteine o peptidi. Il suo primo utilizzo, da parte di George P. Smith nel 1985, era volto a correlare le proteine ai geni che codificavano per esse. Questa metodica permette infatti di far esprimere una data sequenza genica come prodotto di fusione con una proteina di rivestimento dei fagi (i virus che infettano i batteri), in modo tale che la proteina d’interesse si trovi presente al di fuori della struttura del fago. Quindi si possono utilizzare anticorpi, che possiedono la capacità di riconoscere porzioni proteiche, per correlare le sequenze geniche espresse con i rispettivi prodotti proteici. Chi ha studiato questa tecnica la conosce però per l’utilizzo inverso che se ne è fatto: ovvero determinare quale porzione proteica viene riconosciuta da un certo anticorpo. Pioniere di questo approccio è stato proprio Greg Winter, che decise di applicare il phage display con una logica molto simile a quella dell’evoluzione diretta. L’idea era quella di isolare anticorpi in grado di legare con elevata specificità proteine virali/batteriche/tumorali al fine di renderli più efficaci in terapia. Per far questo, migliaia di sequenze codificanti per anticorpi umani vengono fatte esprimere sulla superficie dei fagi e se ne va a saggiare l’interazione con il target cellulare di interesse. Grazie a questa tecnica sono stati prodotti anticorpi in grado di neutralizzare tossine e curare patologie come le malattie autoimmuni e alcune classi di tumori.
L’importanza che il lavoro di questi scienziati ha portato non solo nell’ambito della ricerca ma anche nella nostra società è innegabile. Non si può che concludere con le parole della Royal Swedish Academy of Sciences:
We are in the early days of directed evolution’s revolution which, in many different ways, is bringing and will bring the greatest benefit to humankind.
