Как создание совершенно новых ферментов может изменить мир

«Если ДНК — это проект жизни, то ферменты — рабочие, выполняющие его инструкции», — говорит химик-биолог Адам Гарске. В своём забавном выступлении он показывает, как учёные могут менять и создавать ферменты для конкретных функций: лечение заболеваний, таких как диабет, создание энергоэффективного стирального порошка и даже улавливание парниковых газов. Он сам проводит на сцене опыт с ферментами.

Я рос в центральном Висконсине

и много времени
проводил на свежем воздухе.

Весной я ощущал
пьянящий аромат сирени.

Летом я любил наблюдать
за ярким сиянием светлячков,

копошащихся в траве тёплыми ночами.

Осенью болота переполнялись
ярко-красной клюквой.

Даже в зиме было своё очарование

с рождественским букетом
из сосновых веток.

Для меня природа всегда была
источником чудес и вдохновения.

Изучая химию в университете
и в более поздние годы,

я стал лучше понимать
мир природы на молекулярном уровне.

Всё, что я сейчас упомянул, —

от аромата сирени и сосен

до ярко-красного цвета клюквы
и сияния светлячков, —

имеет по крайней мере одну общую черту:

всё это вырабатываются ферментами.

Поскольку я вырос в Висконсине,
конечно, я люблю сыр

и Грин-Бей Пэкерс.

Давайте немного поговорим о сыре.

По меньшей мере последние 7 000 лет

люди извлекали смесь ферментов

из желудков коров, овец и коз

и добавляли её в молоко.

Молоко таким образом сворачивается —
это один из этапов изготовления сыра.

Ключевой фермент этой смеси — химозин.

Я хочу показать вам, как он работает.

У меня две пробирки,

в одну из которых я добавлю химозин.

Одну секунду.

Моему сыну Энтони восемь лет,

и он очень хотел помочь мне
с демонстрацией для этого выступления.

Мы сидели на кухне, нарезали ананасы,

извлекали ферменты из красного картофеля

и делали всевозможные опыты на кухне.

В итоге мы решили,

что опыт с химозином — самый классный.

Что здесь происходит?

Химозин плавает в молоке,

и он связывается с белком,
который называется казеином.

Он «режет» казеин,

словно молекулярные ножницы.

Именно благодаря этому процессу
молоко сворачивается.

Вот мы на кухне проводим этот опыт.

Отлично.

Теперь я потрясу пробирки.

Затем мы отставим их в сторону
и немного подождём.

Хорошо.

Если ДНК — это проект жизни,

то ферменты — рабочие,
выполняющие его инструкции.

Фермент — это белок,

катализатор, ускоряющий
химическую реакцию,

как, например, химозин
ускоряет свёртывание молока.

Но речь не только о сыре.

В то время как ферменты играют важную роль
в наших продуктах питания,

они также участвуют во всём,
начиная от здоровья младенцев

заканчивая борьбой
с крупнейшими на сегодняшний день

экологическими проблемами.

Основные строительные блоки ферментов
называются аминокислотами.

Существует 20 основных аминокислот,

мы обычно обозначаем их
однобуквенными аббревиатурами,

поэтому получается
такой алфавит из аминокислот.

В ферменте эти аминокислоты
соединены вместе,

как жемчуг на ожерелье.

Такой набор аминокислот —

буквы в этом ожерелье

и порядок, в котором они находятся, —

придаёт ферменту уникальные свойства

и отличает от других ферментов.

Эта цепочка аминокислот,

это ожерелье,

складывается в структуру
более высокого порядка.

Если мы спустимся
на молекулярный уровень

и посмотрим на химозин,
фермент из нашего опыта,

вы увидите, что он выглядит так.

Все эти пряди и петли,
спирали, изгибы, и повороты:

именно такой должна быть его форма,
чтобы он выполнял свои функции.

Сейчас мы можем делать
ферменты в микробах.

Это может быть, например,
бактерия или дрожжи.

Мы берём кусочек ДНК,

который кодирует интересующий нас фермент,

и помещаем его в микроб.

Микроб использует собственную систему,

собственные возможности,

чтобы произвести этот фермент для нас.

Если вам нужен химозин,
можно обойтись без телёнка:

этот фермент можно получить из микроба.

Но ещё круче то,

что теперь можно набирать
свою последовательность ДНК,

чтобы создавать любой фермент,

которого даже нет в природе.

Для меня самое интересное —

попытаться создать фермент
для новой области применения,

расположив атомы в определённом порядке.

Когда мы берём фермент из природы,
играем с аминокислотами,

подбираем эти буквы,

вводим и выводим некоторые из них,

возможно, меняем их местами —

это чем-то похоже на поиск книги

и редактирование нескольких глав
или изменение концовки.

В 2018 году Нобелевская премия по химии

была присуждена
за развитие этого подхода —

направленной эволюции ферментов.

Сегодня мы можем использовать
потенциал направленной эволюции,

чтобы создавать ферменты
для конкретных целей

и новых областей,

например, для стирки белья.

Ферменты в вашем организме

помогают расщеплять пищу,

и точно так же ферменты
в стиральном порошке

помогут расщепить пятна на вашей одежде.

Примерно 90% энергии,

которая идёт на стирку,

тратится на подогрев воды.

Причина вполне понятна —

в более тёплой воде
одежда лучше отстирывается.

А если бы можно было стирать
в холодной воде так же эффективно?

Вы, безусловно, сэкономите деньги,

и вдобавок к этому,

согласно некоторым подсчётам,
сделанным Procter and Gamble,

если бы все домашние хозяйства в США
стирали только в холодной воде,

мы бы сократили выбросы CO2
на 32 тонны ежегодно.

Это много,

примерно столько углекислого газа

выбрасывают 6,3 миллиона автомобилей.

Как же создать фермент,

способный всё это сделать?

Ферменты эволюционировали не для того,
чтобы чистить грязное бельё,

тем более в холодной воде.

Но мы можем обратиться к природе
и найти отправную точку.

Найдём фермент с начальной активностью,

с которым можно работать.

Пример такого фермента
вы видите на экране.

Мы можем поиграть с этими
аминокислотами, как я уже говорил,

вставить и убрать некоторые буквы,

поменять их местами.

При этом мы можем создавать
тысячи ферментов,

брать их

и тестировать на таких
небольших пластинах.

На этой пластине, которую я держу в руках,

96 лунок.

В каждой лунке имеется
кусочек ткани с пятном на нём.

Мы можем измерить,
как каждый из этих ферментов

справляется с удалением пятен,

и посмотреть, как он работает.

Мы можем сделать это
с помощью робототехники,

как вы увидите через секунду на экране.

Оказывается,

некоторые ферменты по свойствам
приблизительно такие же,

как начальный фермент.

Ничего особенного.

Некоторые похуже, от них избавляемся.

А некоторые лучше.

Назовём их нашей версией 1.0.

Эти ферменты мы сохраним

и повторим этот цикл несколько раз.

Благодаря такому повторению
мы сможем найти новый,

нужный нам фермент.

После нескольких циклов

мы найдём что-то новое.

Сегодня можно пойти в супермаркет
и купить стиральный порошок,

который хорошо стирает в холодной воде

благодаря подобным ферментам.

Я покажу вам, как это работает.

У меня здесь ещё две пробирки

с молоком.

В одну я добавлю этот фермент,

а в другую — немного воды.

Это контрольная пробирка,

поэтому в ней ничего не произойдёт.

Вам интересно, почему именно молоко.

Причина в том,

что молоко насыщено белками,

и мы легко увидим, как этот фермент
работает в белковом растворе,

потому что это мастер-измельчитель белков,

это его работа.

Я ввожу его в пробирку.

Как я уже сказал,
это измельчитель белков,

и в молоке будет происходить то же самое,

что и при стирке вашего белья.

Это как бы визуализация того,
что будет происходить.

Обе пробирки готовы.

Потрясу их немного.

Они будут стоять здесь,
вместе с химозином,

и я вернусь к ним в конце выступления.

Что же ждёт ферменты в будущем?

Создание новых ферментов
будет происходить быстрее.

Уже существуют такие подходы,

позволяющие обрабатывать
гораздо больше образцов,

чем я вам показал.

Помимо экспериментирования
с природными ферментами,

о которых мы с вами говорили,

некоторые учёные пытаются создавать
ферменты с нуля,

используя машинное обучение,
искусственный интеллект,

чтобы определить структуры ферментов.

Другие добавляют необычные аминокислоты.

Мы ранее говорили
о 20 встречающихся в природе,

распространённых аминокислотах.

Они добавляют другие аминокислоты

для создания ферментов,
обладающих свойствами,

отличными от найденных в природе.

Довольно интересная область.

Как новые ферменты
повлияют на вас в ближайшие годы?

Я расскажу о двух областях:

здоровье человека и окружающая среда.

В некоторых фармацевтических компаниях

целые группы занимаются
созданием ферментов,

позволяющих сделать лекарства
более эффективными

и с меньшим количеством
токсичных катализаторов.

Например, Янувия,

лекарство для лечения
сахарного диабета 2-го типа,

изготовлено частично из ферментов.

Количество таких лекарств, несомненно,
будет расти в будущем.

Вот другая область.

В организме человека возникают
определённые нарушения,

когда какой-либо фермент
не работает должным образом.

Типичный пример — фенилкетонурия,

сокращённо ФКУ.

Люди с ФКУ неспособны
правильно метаболизировать

или переваривать фенилаланин —

одну из 20 основных аминокислот,
о которых мы говорили.

Употребление фенилаланина больными ФКУ

приводит к нарушениям
умственного развития.

Страшная вещь.

Те из вас, у кого есть дети —

у кого из вас есть дети?

У многих.

Возможно, вы знакомы с ФКУ,

потому что у всех младенцев в США
должны брать кровь на анализ.

Я помню, как у моего сына Энтони
взяли кровь из пятки.

Проблема в том, что вы едите.

Фенилаланин присутствует
во многих продуктах,

его очень трудно избежать.

У Энтони аллергия на орехи,
и я думал, что это тяжело,

но жить с ФКУ намного тяжелее.

Однако, новые ферменты
могут вскоре позволить пациентам с ФКУ

есть всё, что они пожелают.

Недавно FDA одобрило фермент,
предназначенный для лечения ФКУ.

Это важная новость для пациентов

и очень важная новость

для ферментозамещающей терапии в целом,

потому что есть и другие области,
где это можно применить.

Это что касается здоровья.

Перейдём к окружающей среде.

Когда я читал о большом
тихоокеанском мусорном пятне, —

оно, кстати, выглядит
как огромный остров из пластика,

где-то между Калифорнией и Гавайями, —

и о микропластике практически повсюду,

меня это сильно расстроило.

Пластик не исчезнет в ближайшее время.

Но ферменты и здесь могут нам помочь.

Недавно были обнаружены бактерии,
вырабатывающие ферменты,

разрушающие пластмассу.

Уже предпринимаются
попытки усовершенствования

этих ферментов.

В то же время обнаружены ферменты,

которые оптимизированы

для производства биоразлагаемого пластика,

не содержащего нефть.

Ферменты также могут помочь
в улавливании парниковых газов,

таких как углекислый газ,
метан и окись азота.

Нет сомнений в том,
что это серьёзные проблемы,

все они сложные.

Но наше умение использовать ферменты

поможет нам справиться
с этими проблемами в будущем,

поэтому это ещё одна область,
на которую стоит обратить внимание.

Я вернусь к демонстрации —

сейчас будет самое интересное.

Начнём с химозина.

Эти я уберу сюда.

Здесь видно,

что в этой пробирке была вода,

и с этим молоком ничего не произошло.

А в этой — химозин.

Вы видите, здесь всё прозрачно.

А внизу всё свернувшееся молоко, сыр,

мы только что сделали сыр
за несколько минут.

Это та самая реакция,

которую люди проводят тысячелетиями.

Я хочу показать этот опыт
во время «Дня детей на работе»,

но они — требовательная публика,
так что посмотрим.

(смех)

Вот ещё одна пробирка,
которую я хочу показать.

Это фермент для стирки.

Как видите, эта пробирка отличается
от той, в которую добавили воду.

Здесь жидкость более прозрачная,

именно это ожидается от фермента
в процессе стирки,

потому что вам нужен такой фермент,

который будет «охотиться» за белками,
просто «пережёвывать» их.

На вашей одежде разные белковые пятна,

например, от шоколадного молока или травы,

и такой фермент поможет вывести эти пятна.

Благодаря ему

вы сможете стирать в холодной воде,
уменьшить выбросы углерода

и немного сэкономить.

Мы рассмотрели

этот долгий 7 000-летний путь
от ферментов в сыре

до новейших ферментов,
которые создаются сейчас.

Сейчас мы на творческом перепутье

и благодаря ферментам можем менять то,
что написано природой,

или придумывать что-то своё.

Поэтому в следующий раз,
когда вы будете на улице тёплой ночью

и увидите светлячка,

надеюсь, вы подумаете о ферментах.

Уже сегодня они делают
для нас изумительные вещи.

И по своему замыслу,

завтра они смогут сделать
нечто более удивительное.

Спасибо.

(Аплодисменты)