Modul în care proiectarea de noi enzime ar putea schimba lumea

„Dacă ADN-ul este planul pentru viață, enzimele sunt muncitorii care duc la bun sfârșit instrucțiunile sale,” spune biologul Adam Garske. În acest discurs și demonstrație, ne arată cum pot cercetătorii edita și proiecta enzime pentru funcții specifice, pentru a ajuta să tratăm boli precum diabetul, să creăm detergent eficient energetic și chiar să captăm gazele de seră... și face un experiment folosind enzime pe scenă.

Crescând în centrul Wisconsinului,
am petrecut mult timp afară.

Primăvara miroseam aroma
îmbătătoare a liliacului.

Vara îmi plăcea strălucirea
electrică a licuricilor

ce treceau în zbor
în nopțile înăbușitoare.

Toamna mlaștinile erau înțesate
cu culoarea roșie a afinelor.

Chiar și iarna avea farmecul ei,

cu parfumul specific Crăciunului
ce emană din pini.

Natura pentru mine a fost mereu
o sursă de mirare și inspirație.

După ce am absolvit facultatea
de chimie și în următorii ani

am ajuns să înțeleg lumea
naturală în detalii moleculare.

Tot ce am menționat până acum,

de la mirosul de liliac și pini

la roșul aprins al afinelor
și strălucirea licuricilor,

au cel puțin un lucru în comun:

sunt toate create de enzime.

Cum am spus, am crescut în Wisconsin,
așa că îmi place brânza

și echipa Green Bay Packers.

Haideți să vorbim despre brânză puțin.

Cel puțin în ultimii 7.000 de ani,

oamenii au extras un amestec de enzime

din stomacurile vacilor, oilor și caprelor

și le-au adăugat laptelui.

Astfel laptele se prinde, face parte
din procesul de producere a brânzei.

Enzima cheie în acest amestec
se numește chimozină.

Vreau să vă arăt cum funcționează.

Chiar aici am două eprubete,

și voi adăuga chimozină
în una dintre acestea.

Doar un moment.

Fiul meu, Anthony, care are opt ani,

a fost foarte interesat să mă ajute
să fac o demonstrație pentru TED,

așa că eram în bucătărie
și tăiam un ananas,

extrăgeam enzime din cartofi roșii

și făceam tot felul
de experimente în bucătărie.

La final, însă,

demonstrația cu chimozină
ni s-a părut interesantă.

Așa că, ce se întâmplă aici

e că chimozina se amestecă în lapte,

și se lipește de o proteină
numită cazeină.

Apoi se blochează pe cazeină,

e ca un foarfece molecular.

Din cauza acestei blocări
laptele se prinde.

Așadar, iată-ne în bucătărie,
lucrând la asta.

În regulă.

Dați-mi voie să o agit rapid.

Apoi o punem deoparte
și o lăsăm să se liniștească puțin.

În regulă.

Dacă ADN-ul este planul vieții,

enzimele sunt muncitorii
care execută instrucțiunile.

O enzime este o proteină catalizator,

grăbește sau accelerează
o reacție chimică,

la fel cum chimozina de aici
accelerează închegarea laptelui.

Dar nu e vorba doar de lapte.

Deși enzimele joacă un rol
important în mâncărurile noastre,

sunt implicate și în lucruri precum
sănătatea unui nou-născut,

până la cele mai mari provocări de mediu

pe care le avem azi.

Elementele esențiale ale enzimelor
sunt aminoacizii.

Există 20 de aminoacizi comuni

și sunt denumiți folosind abrevieri
de o singură literă,

așa că există un alfabet de aminoacizi.

Într-o enzimă,
acești aminoacizi sunt înșirați,

ca perlele pe un lanț.

Și identitatea aminoacizilor,

adică ce litere sunt pe acel lanț,

și ordinea în care sunt puși,

oferă enzimei proprietăți unice
și o diferențiază de alte enzime.

Acest șirag de aminoacizi,

acest colier

se pliază într-o structură de ordin înalt.

Dacă ai mări imaginea la nivelul molecular

și ai vedea chimozina,
enzima cu care lucrăm aici,

ai vedea că arată așa.

Șiruri și bucle și spirale
și răsuciri și întorsături,

și trebuie să fie în această formă
pentru a funcționa corespunzător.

În zilele noastre, putem face
enzime în microbi,

și poate fi o bacterie
sau o drojdie, de exemplu.

Facem asta luând o bucată de ADN

ce codifică enzima ce ne interesează,

o introducem în microb,

iar microbul e lăsat să-și folosească
propriile mijloace

pentru a produce acea enzimă pentru noi.

Așa că, dacă vreți chimozină,
nu mai aveți nevoie de viței,

puteți s-o luați de la un microb.

Ce e și mai interesant,

e că putem folosi secvențe
personalizate de ADN

pentru a face ce enzime vrem,

enzime ce nu se găsesc în natură.

Iar pentru mine partea distractivă

este să proiectăm o enzimă
pentru o aplicație nouă,

aranjând atomii în modul potrivit.

Faptul de a lua o enzimă din natură
și jucându-ne cu acei aminoacizi,

jucându-ne cu acele litere,

punând câteva litere, scoțând altele,

poate rearanjându-le,

e ca și când ai găsi o carte

și ai edita câteva capitole
și ai schimba sfârșitul poveștii.

În 2018, premiul Nobel pentru chimie

a fost dat pentru dezvoltarea
acestei abordări

cunoscută ca evoluție direcționată.

În ziua de azi putem valorifica
puterile evoluției direcționate

ca să proiectăm enzime
pentru scopuri personalizate,

precum crearea de enzime
pentru aplicații în domenii noi,

precum spălatul rufelor.

Precum enzimele din corp

ce ajută la descompunerea
mâncării pe care o mănânci,

enzimele din detergent

pot ajuta la dizolvarea petelor
de pe hainele.

Se pare că 90 la sută din energia

necesară spălării

e pentru încălzirea apei.

Și e de înțeles,

apa caldă ne ajută să ne curățăm hainele.

Dar dacă ați putea să vă spălați
hainele în apă rece?

Cu siguranță ați economisi bani,

și pe lângă asta,

potrivit unor calcule făcute
de Procter and Gamble,

dacă toate casele din Statele Unite
ar spăla hainele cu apă rece

am reduce emisiile de carbon
cu 32 de tone în fiecare an.

Asta e mult,

e echivalentul

dioxidul de carbon emis
de 6,3 milioane de mașini.

Așadar, cum vom proiecta o enzimă

care să realizeze aceste schimbări?

Enzimele nu au evoluat
să curețe rufe murdare,

cu atât mai puțin în apă rece.

Dar observând natura
putem găsi un punct de plecare.

Putem găsi o enzimă
ce are o activitate de început,

niște lut cu care putem lucra.

Acesta e un exemplu de o asemenea enzimă.

Putem să ne jucăm
cu acești aminoacizi, cum am zis,

adăugând unele litere,
scoțând unele litere,

rearanjându-le.

Și făcând asta,
putem genera mii de enzime.

Și putem să luăm aceste enzime,

și putem să le testăm
în socluri de felul acesta.

Acest soclu pe care îl am în mână

conține 96 de orificii,

și în fiecare orificiu e o bucată
de material cu o pată pe ea.

Și putem măsura dacă aceste enzime

pot elimina petele de pe
aceste bucăți de material,

și astfel vedem cât de bine funcționează.

Putem face asta folosind robotica,

după cum veți vedea imediat pe ecran.

Bine, facem asta, și se pare

că unele enzime sunt un fel de aproximare

a unei enzimei de început.

Nu ne interesează acestea.

Unele sunt mai rele, așa că le eliminăm.

Și unele sunt mai bune.

Acestea devin versiunea 1.0.

Cu aceste enzime continuăm cercetarea,

și putem repeta acest ciclu iar și iar.

Repetarea acestui ciclu ne permite
să obținem o nouă enzimă,

ceva cu care putem face ce dorim.

Și după câteva cicluri,

am obținut cu ceva nou.

Puteți azi să vă duceți la supermarket
să cumpărați un detergent

care vă permite să spălați în apă rece
mulțumită enzimelor de genul acesta.

Și vreau să vă arăt
cum funcționează și asta.

Așa că am încă două eprubete aici,

și acestea sunt tot cu lapte.

Lăsați-mă să vă arăt,

în aceasta am să adaug enzima,

iar în cealaltă am să adaug apă.

Asta e de control,

nu ar trebui să se întâmple
nimic în acea eprubetă.

Și puteți crede că e ciudat
că fac asta cu laptele.

Dar motivul pentru care o fac

e că laptele e plin cu proteine,

și e foarte ușor să vedem activitatea
enzimei într-o soluție proteică,

pentru că taie proteinele foarte bine,

aceasta e funcția ei.

Așa că haideți să introducem asta.

Cum v-am spus,
aceasta taie foarte bine proteinele

așa că puteți extrapola
ce face acestui lapte

asupra rufelor murdare.

E un mod de a vizualiza
ce se poate întâmpla.

Bine, am introdus în ambele.

Și am să o închid și pe aceasta.

Bine, le vom lăsa să stea lângă
mostra cu chimozină

și am să revin la acestea la final.

Care e viitorul proiectării de enzime?

În mod cert procesul
va deveni mai rapid,

există metode de evoluare a enzimelor

ce permit cercetătorilor
să încerce mai multe mostre

decât v-am arătat eu.

Pe lângă manipularea enzimelor naturale,

despre care am vorbit,

unii cercetători încearcă
să proiecteze enzime de la zero,

folosind învățarea automată,
o abordare a inteligenței artificiale,

pentru descoperi structura enzimelor.

Alte metode adaugă aminoacizi
artificiali în amestec.

Am vorbit despre cei 20
de aminoacizi naturali,

cei mai întâlniți aminoacizi,

ei adaugă aminoacizii artificiali

pentru a construi enzime cu proprietăți
diferite de cele întâlnire în natură.

Acesta e un domeniu frumos.

Ce impact vor avea asupra voastră
enzimele proiectate?

Vreau să mă concentrez pe două domenii:

sănătatea umană și mediul.

Unele companii farmaceutice

au acum echipe dedicate
proiectării de enzime

care să facă medicamente mai eficiente
și cu mai puțini catalizatori toxici.

De exemplu, Januvia,

un medicament pentru diabetul tip 2,

este făcut parțial din enzime.

Numărul medicamentelor
cu enzime va crește în viitor.

În alt domeniu,

sunt unele boli

unde o singură enzimă din corpul
unei persoane nu funcționează bine.

Un exemplu este fenilcetonuria,

sau pe scurt PKU.

Oameni cu PKU nu pot metaboliza
sau digera cum trebuie fenilalanina,

unul din cei 20 de aminoacizi
comuni despre care am vorbit.

Consecința ingerării fenilalaninei
de către oamenii cu PKU

e riscul de a dobândi dizabilității
intelectuale permanente,

așa că e înfricoșător.

Cei dintre voi cu copii...

aveți copii, cine are copii?

Mulți dintre voi.

E posibil să cunoașteți această boală

pentru că toți nou-născuții din Statele
Unite sunt testați obligatoriu pentru PKU.

Îmi aduc aminte că fiul meu, Anthony,
a fost înțepat în călcâi pentru asta.

Marea provocare e: ce mănânci?

Fenilalanina e în multe alimente,
e incredibil de greu de evitat.

Anthony are o alergie la nuci
și am crezut că asta e greu,

dar această boală
e la alt nivel de dificultate.

Totuși noile enzime vor putea
permite pacienților cu fenilcetonurie

să mănânce orice vor.

Recent, FDA a aprobat
o enzimă care tratează fenilcetonuria.

Asta e o veste bună pentru pacienți,

și o veste extrem de bună

pentru domeniul terapiei
de înlocuire a enzimelor în general

pentru că există multe alte boli
în care această abordare ar fi potrivită.

Asta a fost despre sănătate.

Acum să trecem la mediu.

Când citesc despre Marea Insulă
de Gunoaie din Pacific

care e o insulă imensă din plastic,

undeva între California și Hawaii,

și despre microplastic
ce e aproape peste tot,

e supărător.

Plasticul n-o să dispară prea curând.

Dar enzimele ne pot ajuta
și în acest domeniu.

Recent au fost descoperite
enzime ce descompun plasticul.

Se lucrează deja la proiectarea
unor versiuni mai bune

ale acestor enzime.

În același timp, există enzime
care au fost descoperite

și care sunt optimizate

să facă plastic biodegradabil
din produse non-petroliere.

Enzimele pot ajuta și la captarea
gazelor cu efect de seră,

cum ar fi dioxidul de carbon, metanul
și protoxidul de azot.

Fără nicio îndoială,
acestea sunt provocări majore

și niciuna dintre ele nu e ușoară.

Dar enzimele ne-ar putea ajuta
să le rezolvăm în viitor,

și cred că e un alt domeniu de interes.

Acum am să mă întorc la demonstrație,

asta e partea distractivă.

Vom începe cu mostrele de chimozină.

Le voi pune pe acestea aici.

Și puteți să vedeți aici,

asta e cea în care am pus apă,

așa că n-ar trebui
să se întâmple nimic cu acest lapte.

Asta e cea cu chimozină.

Puteți vedea că s-a limpezit aici.

La fund s-a coagulat, aceea e brânză,

am făcut brânză în ultimele câteva minute.

Aceasta e reacția

pe care oamenii au făcut-o
timp de mii și mii de ani.

Am să fac asta la următoarea
demonstrație de Ziua de Lucru a Copiilor

dar ei pot fi dificili, așa că vom vedea.

(Râsete)

Și apoi o avem pe aceasta.

Această enzimă e pentru spălatul rufelor.

Și puteți vedea că e diferită
de cea în care am adăugat apă.

Se vede că s-a limpezit puțin,

și asta îți dorești
de la enzima din rufele tale,

pentru că vei vrea o enzimă

care să distrugă proteinele,
să le mestece,

deoarece vei avea
diferite pete de proteine pe haine,

cum ar fi lapte cu ciocolată
sau iarbă verde,

și ceva de genul acesta
te va ajuta să le curăți.

Și tot asta vă va permite

să spălați în apă rece,
să vă reduceți amprenta de carbon

și să economisiți niște bani.

Am ajuns departe,

considerând această călătorie de 7.000
de ani de la enzimele pentru brânză

la proiectarea de enzime
din zilele noastre.

Suntem de fapt la răscruce de drumuri,

și cu ajutorul enzimelor,
editând ce a scris natura

sau creând propriile enzime
din aminoacizi.

Data viitoare când sunteți afară
într-o noapte înăbușitoare

și vedeți un licurici,

sper că vă veți gândi la enzime.

Acestea fac lucruri incredibile
pentru noi.

Și prin proiectare,

ele pot să facă lucruri
și mai uimitoare în viitor.

Vă mulțumesc!

(Aplauze)