3 científicos ganan Nobel de Química 2018 por aplicar el poder de la evolución para diseñar proteínas revolucionarias

La estadounidense Frances Arnold (Pittsburgh, EE UU, 1956), George Smith (Norwalk, EE UU, 1941) y Gregory Winter (Leicester, 1951) han ganado el Nobel de Química 2018 por haber “tomado el control de la evolución y haber usado sus mismos principios para desarrollar proteínas que resuelven muchos problemas de la humanidad”, ha dicho la Real Academia de Ciencias.

Arnold, catedrática de ingeniería química, bioingeniería y bioquímica en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), recibe la mitad del premio por inventar “la evolución dirigida de enzimas”. A finales de la década de los setenta, esta ingeniera mecánica y aeroespacial dio un giro a su carrera para buscar nuevos métodos de producir este tipo de proteínas ubicuas en la naturaleza, encargadas de catalizar todas las reacciones bioquímicas de los organismos vivos. La capacidad de cada una de las miles de enzimas conocidas —como las que permiten a microbios vivir sin oxígeno o alimentarse de compuestos tóxicos— depende de su secuencia genética, que contiene la receta para fabricarla a partir de un reducido catálogo de 20 aminoácidos. En 1993, Arnold desarrolló por primera vez un método para introducir mutaciones en la secuencia genética de enzimas e introducirlas en bacterias. Este ganado microscópico servía para producir miles de variantes diferentes de la enzima en cuestión que después eran seleccionadas y mejoradas generación tras generación hasta tener una nueva proteína con propiedades que no se dan en la naturaleza.

La evolución dirigida es “una revolución científica”, porque “comprime el proceso de evolución natural de enzimas, de miles de millones de años, en otro dirigido que dura días o semanas”, explica el biólogo molecular Miguel Alcalde, que trabajó con Arnold como estudiante de doctorado en Caltech entre 2001 y 2003. En 2016, Arnold fue la primera mujer en ganar el Premio de Tecnología del Milenio, considerado el nobel de la tecnología.

Smith y Winter reciben la otra mitad del premio por la “presentación de péptidos y anticuerpos en la superficie de bacteriófagos”. En 1985, Smith, profesor emérito de la Universidad de Misuri, inventó una nueva forma de domesticar bacterias infectándolas con virus modificados genéticamente. Los patógenos se insertan en el genoma de las bacterias y secuestran su metabolismo para producir millones de proteínas diferentes. El método permite identificar qué gen es responsable de producir una proteína ya conocida.

A mediados de la década de los noventa, Gregory Winter, biólogo molecular de la Universidad de Cambridge, usó este método para crear bibliotecas —o mejor genotecas— con las instrucciones para crear miles de millones de anticuerpos diferentes y desarrolló métodos para buscar y seleccionar entre todos ellos los que tienen interés terapéutico. De esta forma, se creó adalimumab, que neutraliza la proteína TNF-alfa, causante de la inflamación de las enfermedades autoinmunes, que fue aprobado en 2002 para tratar la artritis reumatoide. Otros anticuerpos humanos fabricados en bacterias son capaces de neutralizar la toxina del ántrax y de frenar el cáncer gracias a su capacidad de unirse selectivamente a las células tumorales.

“Esta técnica supone un paso mayúsculo”, es el “paradigma de cómo a partir de nada se puede desarrollar un anticuerpo humano que no genera ningún rechazo inmunológico y que tiene un impacto terapéutico tremendo”, explica Luis Álvarez-Vallina, profesor asociado de la Universidad de Aarhus (Dinamarca) que trabajó en el laboratorio de Winter entre 1996 y 1998, justo cuando la técnica estaba en plena explosión de productividad. Winter ha fundado varias empresas basadas en sus descubrimientos y se ha hecho “rico gracias a sus patentes”, señala Álvarez-Vallina. En 2012 recibió el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica.

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Quienes son los Investigadores

Frances Arnold nació en Pittsburgh, Estados Unidos, en 1956, y obtuvo su doctorado en la Universidad de California, Berkeley. Actualmente es profesora de Ingeniería Química y Bioingeniería del Instituto Tecnológico de California, Caltech. En 1993, Arnold condujo la primera evolución dirigida de enzimas, proteínas que catalizan reacciones químicas, desde entonces, la científica ha refinado métodos que son usados ahora de forma estándar para el desarrollo de catalizadores.

Las enzimas obtenidas con el método de Arnold son utilizadas para elaborar sustancias químicas en formas más amigables con el medio ambiente, incluyendo fármacos y combustibles renovables para un transporte menos contaminante

Arnold se graduó inicialmente en ingeniería mecánica y aeroespacial antes de obtener un doctorado en química. Esta versatilidad en distintos campos contribuyó a su forma creativa de enfocar los problemas, algo que ella reconoce hoy en día en Caltech, que permite a estudiantes de campos muy diferentes integrarse al laboratorio de Arnold.

Durante años la científica intentó rediseñar enzimas a través de “métodos racionales”, intentando comprender la arquitectura de estas moléculas complejas construidas con 20 tipos diferentes de aminoácidos. En la década del 90, “humilde ante la superioridad de la naturaleza, Arnold abandonó lo que ella misma describió como un enfoque un tanto arrogante, para encontrar inspiración en el método usado por la naturaleza para optimizar la química: la evolución”, según señala la Academia en un comunicado.

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Humilde ante la superioridad de la naturaleza, Arnold abandonó lo que ella misma describió como un enfoque un tanto arrogante, para encontrar inspiración en el método usado por la naturaleza para optimizar la química: la evolución”, señaló la Academia.

Fue entonces que Arnold decidió comenzar a crear cambios en el código genético de enzimas, y seleccionar las variantes más efectivas para ciertas reacciones buscadas. Mutación y selección: la naturaleza ya venía aplicando el método a lo largo de millones de años. En un discurso ante la Academia Nacional de Ingeniería de EE.UU. en 2014, Arnold señaló que “la naturaleza es el ingeniero más brillante de todos los tiempos”.

Smith nació en 1941 en Noralk, Estados Unidos, y obtuvo su doctorado en la Universidad de Harvard. Actualmente es profesor de la Universidad de Missouri.

Winter nació en 1951 en Leicester, Inglaterra, y recibió su doctorado en la Universidad de Cambridge. Actualmente es investigador emérito del Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge, Reino Unido.

En 1985, Smith desarrolló un método conocido como phage display, en el que un bacteriógafo, un virus que infecta una bacteria, puede ser usado para dirigir la evolución de nuevas proteínas. Winter usó ese método para dirigir la evolución de anticuerpos, con el fin de producir nuevos fármacos.

El primer medicamento desarrollado con esa técnica y aprobado para uso humano en 2002, adalimumab, se utiliza para tratar la artritis reumatoide, la psoriasis y las enfermedades inflamatorias del colon. Desde entonces, el método ha sido usado para producir anticuerpos que pueden neutralizar toxinas, combatir enfermedades autoinmunes y curar en algunos el cáncer

Desde que surgieron las primeras semillas de la vida hace unos 3.700 millones de años, casi cada espacio y grieta en la Tierra se ha poblado con diferentes organismos, señaló la Academia. ”La vida ha florecido en fuentes termales, en océanos profundos y desiertos secos, gracias a que la evolución logró resolver problemas químicos”.

Las herramientas químicas de la vida, las proteínas, cambiaron y se renovaron incesantemente creando una diversidad increíble. Los científicos premiados este año con el Nobel de Química recibieron inspiración del poder de la evolución y usaron los mismo principios -el cambio genético y la selección – para desarrollar proteínas que resuelven problemas químicos de la humanidad.

“Estamos en los inicios de la revolución de la evolución dirigida, que en formas tan diversas está trayendo y traerá grandes beneficios a los seres humanos”.

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La gráfica con que la Real Academia de la Ciencia dió a conocer a los ganadores

El año pasado el premio recayó en Jacques Dubochet (Aigle, Suiza, 1942), Joachim Frank (Siegen, Alemania, 1940) y Richard Henderson (Edimburgo, Reino Unido, 1945) por su aportación al desarrollo de tecnologías para generar imágenes tridimensionales de las moléculas de la vida. Su trabajo se aplica en tecnologías para entender mejor procesos biológicos como las infecciones o los ciclos de sueño. En palabras de la academia, su mérito consiste en “el desarrollo de la criomicroscopía electrónica para la determinación a alta resolución de la estructura de biomoléculas en una solución”.

Fuente : The Nobel Prize