מחצית פרס נובל לכימיה לשנת 2018 מוענק לחוקרת פרנסס ארנולד (Frances H. Arnold) מאוניברסיטת קאלטק ארה"ב,  ומחצית הפרס מתחלק בין שני החוקרים גרגורי ווינטר (Gregory P. Winter) מקמברידג' בריטניה וג'ורג' סמית (George P. Smith) ממיזורי ארה"ב, עבור פיתוח זרזים ליצור נוגדנים במבחנה בשיטת אבולוציה מואצת.

ב-1993 היתה ארנולד הראשונה להראות כי ניתן להכווין אבולוציה של אנזימים, החלבונים שמזרזים תגובות כימיות. מאז היא שכללה את השיטה, והאנזימים שיוצרו בעזרת אבולוציה מוכוונת משמשים היום לייצור שפע של חומרים, מדלק ביולוגי ועד תרופות. ארנולד היא האשה החמישית שזוכה בפרס נובל בכימיה. מאז זכייתה של עדה יונת בשנת 2009, לא זכתה אישה נוספת בפרס נובל בכימיה עד עתה.

 "פרופ' ארנולד היא ממייסדי התחום של הביולוגיה הסינתטית, שיהיה אחד התחומים החשובים של המאה ה-21", אומר פרופ' רועי עמית מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, שעשה את הפוסט-דוקטורט שלו בהנחייתה של ארנולד.

בראשית שנות התשעים ארנולד היתה הראשונה ליצור אנזים שהתכונות שלו שופרו בעזרת אבולוציה. היא לקחה את האנזים סבסטילין (Substilin E), חלבון מסוג פרוטאז שחותך באופן מבוקר חלבונים אחרים, ויצרה גרסה שלו שפעילה בסביבה לא טבעית של ממס אורגני בשם DMF. השימוש בסביבה קיצונית כמו ממס כזה נועד להוכיח את האפשרות לייצר על פי תכנון מראש חלבון מלאכותי, שאינו קיים בטבע. לשם כך, היא יצרה מוטציות של החלבונים במבחנה, ובררה את הגרסה הפעילה ביותר ב-DMF. לאחר כמה סבבים של מוטציה וברירה, היא הצליחה לייצר חלבון שפעיל ב-DMF פי 256 מהחלבון המקורי.

בעקבות פריצת הדרך שהוכיחה את יעילות האבולוציה במבחנה הניחה ארנולד תשתית סדורה, בעלת חמישה שלבים לשימוש בשיטה כדי ליצור חלבון בעל תפקוד משופר או חדש:

1. זיהוי אנזים מתאים למטרה הייעודית.
2. יצירת ספריה של רצפי DNA שתכיל גרסאות רבות ככל האפשר של ה-DNA המקודד לאנזים הזה (כמעט בלתי אפשרי לבחון את התפקוד של כל הרצפים האפשריים, כי מספר האפשרויות עצום).
3. זיהוי קריטריון שבאמצעותו אפשר לברור את התפקוד המשופר או החדש. למשל רמת הפעילות של תגובה כימית מסוימת, כמו פירוק של חלבון מסוים.
4. ערבוב מחדש של רצפי ה -DNA כדי לאפשר כיסוי טוב יותר כל הרצפים האפשריים.
5. הגדרת קריטריון ברירה מחמיר יותר, לבדוק את יעילות החלבון החדש.

חזרה על שלבים אלו עד לקבלת אנזים בעל תכונות רצויות.

בעזרת הרעיונות האלה מפתחים כיום אינזימים במגוון עצום של תהליכים שאינם תחומים רק לרפואה  אלא גם לתחומי תעשייה כמו למשל, פירוק שומנים בתכשירי כביסה וניקוי. חלק מהאיזימים שפותחו מבוססי קשרי סיליקון-פחמן שאינם קיימים בטבע.

המחצית השנייה של פרס הנובל לכימיה לשנה זו מוענקת לג'ורג' פ. סמית ולסר גרגורי ווינטר. בשנת 1985, ג'ורג' סמית פיתח שיטה אלגנטית הידועה בשם 'ספריית בקטריופאג'ים' שבה בקטריופאג' (נגיף התוקף חיידקים) יכול לשמש לשם הפיתוח של חלבונים חדשים. גרגורי ווינטר השתמש בשיטה זו לקבלת אבולוציה ישירה של נוגדנים, זאת במטרה להכין תרופות חדשות. התרופה הראשונה המבוססת על שיטה זו, אדלימומאב (Adalimumab), אושרה עוד בשנת 2002 ומשמשת כתרופה נוגדת דלקות. מאז, השיטה אפשרה ייצור של נוגדנים המסוגלים לנטרל רעלנים, לעכב מחלות אוטו-חיסוניות ואפילו לרפא סרטן גרורתי.  

מקורות:

1. פרס נובל לכימיה הוענק לשלושה חוקרים על מחקרים פורצי דרך בתחום החלבונים - הארץ
2. פרס נובל לכימיה לשנת 2018 לשלושה חוקרים על רתימת האבולוציה לפיתוח זרזים ידידותיים לסביבה, חלבונים ונוגדנים - הידען
3. פרס נובל בכימיה: אבולוציה במבחנה - אתר מכון דוידסון לחינוך מדעי