Najnowsi nobliści

Czwarty rodzaj broni

MEDYCYNA I FIZJOLOGIA

James P. Allison i Tasuku Honjo
„za odkrycie terapii przeciwnowotworowej w oparciu o hamowanie negatywnej reakcji immunologicznej”.

Ludzki organizm codziennie narażony jest na kontakt z setkami patogenów. Dlatego nasz układ odpornościowy musi nieustannie czuwać – być w stanie szybko się aktywować podczas infekcji i „uspokajać”, gdy zagrożenie zostanie zneutralizowane. Takie działanie możliwe jest dzięki skomplikowanym sieciom zależności, które tworzą limfocyty, makrofagi, granulocyty i inne komórki układu odpornościowego. Ich zachowaniem sterują czynniki pobudzające reakcję odpornościową i inne, ją hamujące. Utrzymanie stanu równowagi jest ważne, bowiem zarówno nadmierna, jak i niedostateczna odpowiedź immunologiczna może być groźna.

Tegoroczni nobliści otrzymali nagrodę za prace nad mechanizmami hamującymi układ odpornościowy. Supresyjne działanie CTLA-4, jednego z białek obecnego na limfocytach T, odkrył w 1994 r. James ­Allison. Okazało się, że ten receptor po połączeniu z molekułą zwaną CD80 daje negatywny sygnał, hamujący reakcję obronną limfocytu. Z kolei w 1992 r. Tasuku Honjo wyizolował, a później także opisał hamującą funkcję białka PD-1, które łączy się z podobnym białkiem PD-L1, obecnym m.in. na komórkach nowotworowych.

Naukowcy skorzystali z tej informacji na dwa sposoby: nadmiernie hamując i pobudzając układ odpornościowy. Stworzono abatacept – lek, który budową przypomina białko ­CTLA-4, dzięki czemu hamowana jest odpowiedź immunologiczna w chorobach z autoagresją (kiedy układ odpornościowy atakuje własne komórki, np. podczas reumatoidalnego zapalenia stawów albo cukrzycy typu 1). Jednak Allison i Honjo ruszyli inną drogą, stawiając na immunoterapię nowotworów.

Każdego dnia w naszych organizmach powstają nieprawidłowe, zmutowane komórki, które mogą zapoczątkować chorobę nowotworową. Układ immunologiczny rozpoznaje je i niszczy. Mutacje w DNA, które powodują, że komórka staje się nowotworowa, często skutkują pojawieniem się nieprawidłowych białek na jej powierzchni. Białka te mogą zostać uznane przez limfocyty T za obce, co uruchamia odpowiedź układu odpornościowego i komórka nowotworowa zostaje zniszczona. Zdarza się jednak, że nowotwór ucieka spod nadzoru immunologicznego, np. dzięki produkcji czynników hamujących, i rozwija się choroba nowotworowa.

Takimi czynnikami są CD80 i PD-L1, które we wspomnianym wcześniej mechanizmie hamują nasz układ odpornościowy. Znając już te zależności, pozostało stworzyć takie leki, które pobudzałyby limfocyty T do walki z komórkami nowotworowymi. W 1997 r. Allison wraz ze współpracownikami stworzył odpowiednie przeciwciało – ipilimumab – które blokowało receptor CTLA-4, zaś w 2010 r. przeprowadzono pierwsze badania wśród chorych na czerniaka, uzyskując zaskakująco dobre wyniki. Niezależnie od Allisona, grupa Honjo rozpoczęła pracę nad przeciwciałami ingerującymi w mechanizm PD-1/PD-L1 i w 2012 r. ogłoszono również pozytywne efekty w leczeniu m.in. czerniaka i raka płuc. Niedawne próby kliniczne pokazują jeszcze skuteczniejsze działanie obu tych terapii jednocześnie.

Niewątpliwymi plusami całej koncepcji immunoterapii przeciwnowotworowej, której ojcowie właśnie zostali laureatami Nagrody Nobla, jest fakt, że w odróżnieniu od chemioterapii przeciwciała i limfocyty atakują tylko zmienione komórki, a także to, że docierają do wszystkich miejsc organizmu. Działają wszędzie, ale na wybrane cele. Jednocześnie skutkiem ubocznym terapii jest zachwianie delikatną równowagą sił. Po zwolnieniu molekularnego hamulca, nadmiernie pobudzony układ immunologiczny może narazić pacjentów na autoagresję.

Medycyna przeszła długą drogę od XIX-wiecznego leczenia guzów toksyną ­Coleya, która miała pobudzać odpowiedź immunologiczną, przez szczepionkę BCG przeciw gruźlicy, podawaną w raku pęcherza moczowego (stosowaną do dziś), aż do immunoterapii onkologicznej zaproponowanej przez tegorocznych noblistów. Opracowana przez nich metoda immunoterapii jest czwartym filarem walki z nowotworami – obok chirurgii, radioterapii i chemioterapii. To kolejna i zapewne nieostatnia Nagroda Nobla przyznana za walkę z nowotworami. Wyścig zbrojeń trwa. © Bartosz Kabała

Narzędzia ze światła

FIZYKA

Arthur Ashkin, Gérard Mourou i Donna Strickland
„za przełomowe wynalazki w dziedzinie fizyki laserowej”.

Tegoroczni nobliści z fizyki stworzyli narzędzia niezbędne w każdym warsztacie majsterkowicza. Kombinerki na tyle małe, że można nimi chwycić pojedyncze atomy, i noże tak precyzyjne, że da się nimi ciąć bakterie.

Arthur Ashkin z USA otrzymał połowę nagrody, drugą połową podzielili się Gérard Mourou z Francji i Donna Strick­land z Kanady. Obydwa wyróżnienia mają wspólny mianownik w postaci światła laserowego. Ashkin zaprzągł lasery do łapania małych przedmiotów, Morou i Strickland opracowali metody kompresji światła laserowego do bardzo krótkich, silnych impulsów.

Arthur Ashkin rozpoczął pracę nad światłem laserowym bardzo wcześnie, w latach 60. XX w., czyli wkrótce po tym, jak lasery zostały wynalezione (Nagrodę Nobla za wynalezienie laserów przyznano w 1964 r., otrzymali ją wspólnie Charles Townes, Nikołaj Basow i Aleksandr Prochorow). Od samego początku eksperymentował z oddziaływaniem światłem laserowym na małe przedmioty intuicyjnie wyczuwając, że skoro światło może wywierać ciśnienie, to odpowiednio małe przedmioty będzie można przesuwać za pomocą promienia świetlnego. Oświetlał maleńkie kuleczki światłem lasera i udało mu się je podnieść, co już było pewnym sukcesem. Odkrył też, że przedmioty oświetlone światłem lasera wciągane są do wnętrza wiązki, tam gdzie światło jest najintensywniejsze – podobny efekt możemy zaobserwować, umieszczając piłkę pingpongową w strumieniu powietrza wydmuchiwanego np. z rury odkurzacza.

Dzięki temu efektowi Ashkin był w stanie manipulować „pochwyconym” przedmiotem. Dosyć szybko się zorientował, że jest w ten sposób w stanie operować nawet pojedynczymi, żywymi komórkami, pod warunkiem, że precyzyjnie dobierze moc lasera – żeby nie zabić małego organizmu. Co więcej, możliwość skupiania światła lasera sprawia, że da się za jego pomocą przestawiać różne molekuły we wnętrzach żyjących komórek. Chyba najbardziej spektakularnym osiągnięciem przy użyciu tej metody jest zmierzenie sił, z jakimi białka transportowe (np. kinezyna) przenoszą molekuły wewnątrz żyjących komórek. Dzięki odkryciu Ashkina naukowcy są też w stanie operować pojedynczymi atomami, badając ich właściwości kwantowe. W laboratoriach na całym świecie „kombinerki” Ashkina służą do przesuwania, popychania, zatrzymywania czy selekcjonowania małych obiektów: komórek, wirusów, molekuł czy nawet atomów, i wszystko na odległość i bez dotykania.

Mourou i Strickland skupili się na skracaniu i jednoczesnym wzmacnianiu błysków lasera. Nazwa laser to skrót od angielskiego Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Impuls świetlny w laserze powstaje na skutek swoistej reakcji łańcuchowej – materiał, z którego laser jest zbudowany, najpierw jest pompowany energią. Elektrony w tym materiale przeskakują na wyższe orbity i tylko czekają, by oddać energię, która je rozpiera. Wystarczy mały kamyk, np. foton o określonej energii, by elektrony masowo oddały uwierającą je energię, wypromieniowując fotony o określonej energii. W dodatku reakcję w atomie wyzwalają tylko fotony o tejże energii, dlatego światło laserowe jest monochromatyczne – ma ściśle określony kolor.

Kaskadowa reakcja w materiale, z którego zbudowany jest laser, jest swoistym sposobem wzmocnienia impulsu świetlnego, który do materiału wpada. Od samego początku istnienia laserów szukano sposobów, by je wzmocnić, i dziś nawet testowana jest broń laserowa. Ale problemem było skracanie błysków lasera z jednoczesnym zachowaniem dużej mocy – nie udawało się wzmacniać światła w krótkim czasie bez niszczenia materiału, z którego był zbudowany laser. Mou­rou i Strickland wpadli na bardzo oryginalny pomysł – postanowili przed wzmocnieniem impulsu świetlnego rozciągnąć go w czasie i przestrzeni, tak by układ wzmacniający miał więcej czasu na dorzucenie swoich fotonów, po czym całość była z powrotem kompresowana do pierwotnej długości. Dzięki temu możliwe jest uzyskiwanie błysków światła o długości rzędu femtosekund. Femtosekundy to biliardowe części sekundy, w takim czasie światło pokonuje dystans ledwie 0,3 mikro­metra! Jednocześnie moce tych impulsów laserowych są niewyobrażalnie wysokie.

Taki impuls laserowy jest w stanie dostarczyć sporą porcję energii w bardzo krótkim czasie, więc pozwala np. na bardzo precyzyjne cięcie. Często lasery o ultra­krótkich błyskach są wykorzystywane do operacji, chociażby oka, czy do obróbki powierzchni implantów zębowych. Ale pomagają też w badaniach naukowych, pozwalają dosłownie robić zdjęcia bardzo krótkich wydarzeń, jak reakcje chemiczne – dzięki ultrakrótkim błyskom światła można zaobserwować, jak zmienia się kształt białek wewnątrz komórki. A oprócz tego ultrakrótkie silne lasery znakomicie nadają się do zapisywania danych w nośnikach optycznych – krótki błysk sprawia, że operacja zapisu następuje szybko, a za sprawą nawału danych, z jakim mamy do czynienia, prędkość zapisu ma kolosalne znaczenie.

Technika laserowa na stałe zadomowiła się w wielu dziedzinach naszego życia. A w przyszłości, także dzięki pracom tegorocznych noblistów z fizyki, może odgrywać jeszcze ważniejszą rolę. © Marcin Bójko

Ewolucja kierowana

CHEMIA

Frances H. Arnold
„za kierowaną ewolucję enzymów”
oraz George P. Smith i Sir Gregory P. Winter
„za fagową ekspresję peptydów i przeciwciał”.

Tegorocznym noblistom w dziedzinie chemii udało się wykorzystać mechanizmy ewolucyjne i w taki sposób sterować nimi na poziomie chemicznym, by uzyskiwać związki przydatne w różnych dziedzinach, m.in. w farmacji i biotechnologii.

Połowa nagrody trafiła do Frances H. Arnold z Caltech (USA) za jej prace dotyczące ewolucji enzymów. Są to dość złożone cząsteczki będące katalizatorami, czyli związkami przyspieszającymi rozmaite reakcje chemiczne. Sam pomysł sterowania ewolucją enzymów pochodzi od słynnego laureata Nobla (1967), Manfreda Eigena, twórcy teorii chemicznych hipercykli. W 1984 r. opisał on teoretyczną procedurę kontrolowanej optymalizacji enzymów – iteracyjną maszynę ewolucyjną. Dekadę później prace doświadczalne w tej dziedzinie rozpoczęła tegoroczna laureatka. Poddawała enzymy procesowi losowych mutacji, w ramach których cząsteczki te ulegają konkretnym zmianom strukturalnym. Niektóre z nich prowadzą donikąd, ale pojawiają się czasem takie, które powodują, że enzym staje się bardziej efektywny w działaniu. Wyzwaniem jest oddzielenie ich od całej reszty, która albo wcale nie została zmutowana, albo też mutacja poszła w złą stronę i musi trafić na śmietnik. Laureatka stworzyła właśnie bardzo efektywną metodę „wyłapywania” i oddzielania tych enzymów, które w procesie ewolucji kierowanej na poziomie molekularnym działają lepiej. Następnie te wyselekcjonowane cząsteczki poddawano ponownym losowym mutacjom i znowu selekcjonowano. Taki proces można powtarzać wielokrotnie. Opracowana technika jest względnie prosta, a jednocześnie bardzo uniwersalna. Już pierwsze próby pozwoliły na stworzenie, po zaledwie czterech „nawrotach”, zmutowanego enzymu, który miał 256 razy większą aktywność niż istniejący w naturze. Kolejnych kilka lat żmudnej pracy było niezbędne, aby usprawnić i udoskonalić technikę szybkiej ewolucji.

Ulepszone enzymy, będące naturalnymi katalizatorami konkretnych reakcji, mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Frances H. Arnold ma już kilkanaście patentów dotyczących m.in. przetwarzania biomasy na rozmaite biopaliwa czy też tzw. zielonej chemii, czyli otrzymywania z dużą wydajnością związków chemicznych w procesach, które nie obciążają środowiska naturalnego.

Drugą połowę tegorocznej nagrody podzielono pomiędzy George’a P. Smitha (University of Missouri, USA) oraz ­Gregory’ego P. Wintera (Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Wielka Brytania). Oni także wykorzystali podobną jak Arnold metodę przyspieszonej ewolucji chemicznej. Obaj uczeni zajmują się bakteriofagami (wirusami atakującymi bakterie) oraz przeciwciałami.

Fagowa ekspresja peptydów to wyrafinowana technika laboratoryjna, która pozwala na badanie oddziaływań białek, peptydów oraz DNA. Wymyślił ją w 1985 r. George P. Smith. Następnie została zastosowana do tego, aby wymusić ewolucję protein lub białek w określonym kierunku. Drugi z tej pary laureatów zastosował tę technikę do wymuszenia ewolucji konkretnych przeciwciał. W tym przypadku celem było opracowanie technologii produkcji nowoczesnych leków. Pierwszy z nich, adalimumab, pojawił się na rynku w 2002 r. Z powodzeniem zastosowano go w leczeniu niektórych reumatoidalnych zapaleń stawów, w łuszczycy, a także w chorobie Leśniewskiego-Crohna. Badania w kolejnych latach pozwoliły na stworzenie kolejnych leków z serii -mab (wszystkie ich nazwy mają tę samą końcówkę pochodzącą od angielskiego monoclonal antibodies – przeciwciała monoklonalne). Obecnie trwają badania kliniczne dotyczące przeciwciał neutralizujących toksyny, zwalczających rozmaite choroby autoimmunologiczne oraz pozwalające na walkę z przerzutami w przebiegu chorób nowotworowych.

Odkrycia tych dwóch laureatów pozwolą na opracowanie następnych, znacznie bardziej efektywnych leków stosowanych m.in. w terapii nowotworów. Technikę fagowej ekspresji peptydów można także stosować do otrzymywania jeszcze innych, nowych przeciwciał, które stosuje się w biosensorach. Tego typu czujniki mają bardzo szerokie zastosowanie – od wykrywania metali ciężkich czy pestycydów, przez patogeny oraz substancje rakotwórcze w powietrzu, wodzie czy glebie. Mogą także okazać się przydatne w przemyśle spożywczym, a nawet w walce z bioterroryzmem. © Mirosław Dworniczak