Hogyan változtathatja meg világunkat vadonatúj enzimek tervezése?

"Ha a DNS az élet terve, akkor az enzimek az utasítást végrehajtó munkások" – hangsúlyozza Adam Garske vegyész-biológus. Szemléltetéssel kísért humoros előadásában bemutatja, hogyan szerkesztik és tervezik az enzimeket jelenleg különleges célokra: cukorbetegség kezelésére, energiahatékony mosószer kifejlesztésére, sőt még üvegházhatású gázok megkötésére is. Garske a színpadon hajtja végre az enzimeket bemutató kísérletét.

Wisconsinban nőttem fel,
és sokat voltam friss levegőn.

Tavasszal beszívtam
az orgona bódító illatát.

Nyáron rajongva követtem
a szentjánosbogarak villogását

amint röpdöstek a fülledt éjszakákon.

Ősszel a mocsarak vakítóan piroslottak
a rengeteg tőzegáfonyától.

Még a télnek is megvolt a bája:

a fenyőkből áradó, karácsonyt idéző illat.

A természet mindig a csoda
és az ihlet forrása volt számomra.

Egyetemi kémiatanulásom során,
de a későbbiekben is

egyre jobban értettem
a természet molekuláris szintű világát.

Az előbb említett dolgoknak,

az orgona és a fenyő illatától kezdve

a tőzegáfonya vöröséig
és a szentjánosbogarak villogásáig

legalább egy közös vonásuk van:

valamennyit enzimek hozzák létre.

Ahogy mondtam, Wisconsinban nőttem fel,
tehát imádom a sajtokat

és a Green Bay Packers focistáit.

De egy picit maradjunk a sajtoknál!

Legalább 7000 éve

az ember enzimkeveréket vont ki

szarvasmarhák, juhok és kecskék gyomrából,

és hozzáadta a tejhez.

Ettől a tej megaludt, ez része
a sajtgyártás folyamatának.

A keverék legfontosabb enzimje a kimozin.

Megmutatom, hogyan működik.

Két kémcsövünk van,

az egyikbe kimozint töltök.

Egy pillanat.

Nyolcéves Anthony fiam szívesen segített

bemutatót találnom a TED-előadáshoz.

A konyhában ananászt szeleteltünk,

enzimeket vontunk ki rózsakrumpliból.

Mindenféle szemléltető
eszközöket csináltunk.

Végül úgy gondoltuk,

hogy a kimoziné ütős lesz.

Itt az történik,

hogy a kimozin úszik a tejben,

és hozzákötődik a kazein nevű fehérjéhez.

Szétvágja a kazeint,

mint a molekuláris olló.

Ettől a folyamattól alszik meg a tej.

Itt épp ezen dolgozunk a konyhában.

Jó.

Megrázom a kémcsöveket.

Most félretesszük, és várunk egy kicsit.

Rendben.

Ha a DNS az élet terve,

akkor az enzimek
az utasítást végrehajtó munkások.

Az enzim az a fehérje, az a katalizátor,

amely felgyorsítja a vegyi reakciót,

mint ahogy pl. a kimozin
felgyorsítja a tejalvadást.

De nem csak a sajttal van ez így.

Az enzimek nemcsak ételeinkben
játszanak fontos szerepet,

hanem mindenben részt vesznek:
a csecsemő egészségétől kezdve

egészen a napjainkban fölmerülő

legnagyobb környezeti
bajok elleni küzdelemig.

A fehérjék építőelemei az aminosavak.

Húsz fontos aminosav létezik,

általában egybetűs rövidítésekkel
jelöljük őket,

ezért ilyen ábécénk van belőlük.

Az enzimben az aminosavak láncot alkotnak,

mint a nyaklánc gyöngyszemei.

Az aminosavak egyénisége attól függ,

milyen betűkből áll a nyaklánc,

mi a betűk sorrendje,

ezek adják meg az enzim egyedi,
más enzimektől eltérő tulajdonságait.

Az aminosavaknak ez a lánca,

ez a nyaklánc,

magasabb rendű szerkezetbe rendeződik.

Ha molekulaszintre közelítenénk rá,

és egy pillantást vetnénk a kimozinra,
erre az enzimre,

ilyennek látnánk.

Az alkotóelemeknek, hurkoknak,
csavarvonalaknak, kacskaringóknak

pont ilyen alakzatot kell ölteniük,
hogy szabályosan működjön.

Ma mikrobákban is
előállíthatunk enzimeket;

ez pl. lehet baktérium vagy élesztő.

Ehhez fogunk egy DNS-darabkát,

amely kódolja a kívánt enzimet,

és belehelyezzük a mikrobába.

Hagyjuk, hogy a mikroba használja
a gépezetét, a szükséges eszközét

az enzim előállítására.

Ma nem kell borjú a kimozinhoz,

mikrobából is kinyerhetjük.

De még nagyszerűbb,

hogy ma teljes DNS-szekvenciákat
alakíthatunk ki

a természetben nem létező,

kívánt enzimek előállítására.

Nekem a vicces az egészben,

hogy új alkalmazásokhoz
enzimeket tervezhetek

az atomokat így-úgy elrendezve.

Fogni egy természetes enzimet,
majd játszadozni az aminosavakkal,

bütykölni a betűkkel,

egyes betűket kivenni, másokat betenni,

egy kicsit ide-oda rakosgatni őket,

ez arra hasonlít,

mikor egy könyv fejezeteit szerkesztjük,
vagy megváltoztatjuk a végét.

2018-ban a kémiai Nobel-díjat

e megközelítés fejlesztéséért,

az ún. irányított evolúcióért ítélték oda.

Ma az irányított evolúciót

különböző rendeltetésű enzimek
előállítására használhatjuk.

Ezek egyike az enzimtervezés
új területekre,

pl. mosásra való alkalmazása.

Ugyanúgy, ahogy a testünkben lévő enzimek

elősegítik az elfogyasztott
étel lebontását,

a mosószerben lévő enzimek

lebonthatják a ruhán található foltokat.

Kiderül, hogy a mosásra
fordított energia 90%-a

a mosás során

vízmelegítésre megy el.

Világos, hogy miért:

a melegebb víz jobban tisztít.

De mi lenne, ha hideg vízben moshatnánk?

Ez nemcsak pénzmegtakarítással járna,

hanem ráadásul,

a Procter and Gamble számításai szerint,

ha az USA minden háztartása
hideg vízben mosna,

évente 32 tonna szén-dioxiddal
kevesebbet bocsátanánk ki.

Ez elég sok,

6,3 millió autó CO₂-kibocsátásának

felel meg.

Hogyan hozzunk létre

e változások megvalósítására
alkalmas enzimet?

Az enzimek evolúciója nem piszkos
ruhák tisztítására ment végbe,

pláne nem hideg vízben.

De a természethez fordulva
megtalálhatjuk a kezdőpontot:

olyan enzimet, amelynek van
kezdeti aktivitása,

és amellyel kezdhetünk valamit.

Például ilyent láthatunk a kivetítőn.

Nekifoghatunk játszani az aminosavakkal,

egyes betűket kiveszünk,
másokat beteszünk,

ide-oda rakosgatjuk őket.

Így ezernyi enzimhez juthatunk.

Aztán az enzimeket

ilyen kis lapokon tesztelhetjük.

A kezemben tartott lapon

96 mélyedés van,

ezek mindegyikében egy foltos anyagdarab.

Lemérhetjük, hogy egy-egy enzim

mennyire jól távolítja el
a foltot az anyagról,

azaz mennyire hatékony.

A vizsgálatot robotok is végezhetik.

Mindjárt megláthatják, hogyan.

Kiderül, hogy némelyikük tulajdonságai

hozzávetőlegesen megegyeznek

a kiinduló enziméivel.

Semmi különös.

Némelyikéi rosszabbak,
úgyhogy kidobhatjuk őket.

Néhányuké jobbak.

A javított kiadásúak
lesznek az 1.0 változat.

Velük tovább dolgozunk.

A ciklust többször ismételhetjük.

A ciklus ismétlésével
új enzimhez juthatunk,

amely a kívánt célra már alkalmas.

Néhány ciklus után

tényleg valami újhoz jutottunk.

Immár a szupermarketben
megvehetjük a mosószert,

amellyel az enzimnek hála
hideg vízben moshatunk.

Megmutatom, hogyan működik.

Fogok még két kémcsövet,

ezekben is tej van.

Nézzék!

Az egyikbe betöltöm az enzimet,

a másikba vizet töltök.

Ez a kontroll.

Ezzel a kémcsővel semmi sem történik.

Tán érdekli önöket, miért tejjel csinálom.

Ennek oka,

hogy a tej tele van fehérjével,

és könnyű kimutatni, hogy fehérjeoldatban
miként működik az enzim,

mert remek fehérjeaprító.

Az a dolga.

Beleteszem a kémcsőbe.

Mondtam, hogy fehérjeaprító.

A tejben ugyanaz történik,

mint majd a mosnivalóval.

Így láthatóvá tehetem, ami történni fog.

Mindkettő kész.

Kissé megrázom.

Hagyjuk a kimozinmintával,

és az előadás végén megnézzük.

Mi várható az enzimtervezés terén?

Bizonyára fölgyorsul,

új módszerek vannak,

mellyel sokkal több mintát vizsgálhatunk,

mint a bemutatott módszerrel.

A természetes enzimekkel
való bütykölgetésen túl,

amiről beszéltem,

némely kutató a semmiből
állít elő enzimeket,

gépi tanulást és MI-t használva

az enzimek szerkezetének meghatározására.

Mások mesterséges aminosavakat
adnak a keverékhez.

Korábban szó volt

a 20 természetes aminosavról.

E kutatók mesterséges
aminosavakat adnak hozzájuk,

így a természetben nem létező
tulajdonságú enzimekhez juthatnak.

Ez tényleg nem semmi.

Hogyan hatnak ránk a mesterséges enzimek?

Két területet vegyünk szemügyre:

az emberi egészséget és a környezetet.

Néhány gyógyszercég kutatói
olyan enzimeken dolgoznak,

amelyekkel hatékonyabb

és kevesebb mérgező katalizátort
tartalmazó gyógyszerek gyárthatók.

Példának említhetem a Januviát,

a 2. típusú cukorbaj kezelésére,

amely részben enzimekből készül.

Sokkal több gyógyszer készül
majd enzimekkel a jövőben.

A másik terület:

egyes kórok esetében

a szervezetben lévő enzim hibásan működik.

Például ilyen a fenilketonuria,

rövidítve: a PKU.

A PKU-sok képtelenek lebontani
a fenil-alanin aminosavat,

a korábban tárgyalt 20 aminosav egyikét.

A fenil-alanin felhalmozódás következménye

a visszafordíthatatlan
idegrendszeri károsodás.

Elég ijesztő dolog.

A gyerekesek...

Kinek van gyereke önök közül?

Sokaknak.

Van, aki találkozott már a PKU-val,

mert az USA-ban minden csecsemőt
megvizsgálnak PKU-ra.

Emlékszem, mikor Anthony fiam
sarkából vért vettek.

Minden attól függ, mit eszünk.

Rengeteg élelmiszerben van fenil-alanin,
roppant nehéz elkerülni.

Anthony mogyoróallergiás,
azt gondoltam, ez nehéz ügy,

de a PKU ennél sokkal nehezebb ügy.

Az új enzimek nemsokára módot
adnak a PKU-s pácienseknek,

hogy tetszésük szerint étkezzenek.

A gyógyszerhatóság nemrég
hagyott jóvá egy PKU-orvosságot.

Ez jó hír a pácienseknek,

és összességében az

az enzimhelyettesítéssel
gyógyítás területének,

mert a módszer más célokra is alkalmas.

Ennyit az egészségügyről.

Mi a helyzet a környezettel?

Mikor a csendes-óceáni
nagy szemétszigetről olvasok,

ami óriási műanyagszigetre hasonlít,

valahol Kalifornia és Hawaii között,

és hogy minden tele van
apró műanyagszemcsékkel,

ez engem elkeserít.

A műanyag nem tűnik el máról holnapra,

de az enzimek itt is segíthetnek.

Nemrég műanyaglebontó enzimeket
gyártó baktériumokat fedeztek föl.

Már folyamatban van

fejlettebb változatuk kidolgozása.

Fölfedeztek olyan enzimeket is,

és jelenleg javítják őket,

amelyekből nem kőolaj-származékú,
biológiailag lebomló műanyag készülhet.

Az enzimek az üvegházhatású gázok,
pl. a CO₂, a metán és a dinitrogén-oxid

megkötésére is alkalmasak lehetnek.

Nincs kétségem, hogy ezek nagy feladatok,

és egyik sem könnyű.

De képesek vagyunk a jövőben
ezekhez enzimeket használni,

ezért érdemes figyelmet fordítani rájuk.

De visszatérek a szemléltetéshez;

ez a dolog érdekes része.

Kezdjük a kimozinmintákkal.

Ezeket ide teszem.

Látjuk, hogy ebben a kémcsőben

víz volt,

és ezzel a tejjel semmi sem történt.

Ebben kimozin van.

Teljesen átlátszó lett.

Az alján ott a megalvadt tej, a sajt,

pár perc alatt sajtot készítettünk.

Ez ugyanaz a reakció,

mint amelyet az ember
ezredévek óta alkalmaz.

Ezt szeretném bemutatni
a "Gyerekek a munkában" foglalkozáson,

de a gyerekek igényesek,
úgyhogy majd meglátjuk.

(Nevetés)

Itt a másik kémcső,

amelyben mosásenzim van.

A kémcső másként néz ki,
mint amelyikbe vizet töltöttünk.

Ebben a folyadék átlátszóbb,

pont ez várható el a mosóenzimtől.

Hiszen olyan enzimre van szükségünk,

amely fehérje-zabagép, felfalja őket.

Ruhájukon mindenféle fehérjefoltok vannak,

pl. csokis tejtől vagy fűtől származók,

és az ilyen enzimmel ki lehet venni őket.

Ezért hideg vízben moshatunk,

csökkenthetjük a CO₂-lábnyomot,

és valamennyit megtakaríthatunk.

Áttekintettük

ezt a 7000 év hosszúságú időszakot
a sajtban lévő enzimektől kezdve

a jelenleg kifejlesztés alatt álló
legújabb enzimekig.

Most válaszút előtt állunk,

és az enzimeknek hála átírhatjuk azt,
amit a természet megalkotott,

vagy kigondolhatjuk
a magunk aminosav-változatát.

Ezért, mikor fülledt éjszaka
majd az utcán járnak,

és szentjánosbogarat látnak,

jussanak eszükbe az enzimek!

Már ma is elképesztő dolgokat művelnek.

De tervezés révén holnap

még meglepőbbet művelhetnek.

Köszönöm.

(Taps)