05 October 2018

Nobel prijs voor evolutie. Frances Arnold.

Frances Arnold: New enzymes by evolution
(mei 2017) dus nog voor ze de Nobelprijs ontving.
Frances Arnold (62) kreeg 3 oktober 2018 de Nobelprijs in de Chemie "for the directed evolution of enzymes"  (de gerichte evolutie van enzymen). Bij mijn weten is het niet eerder voorgekomen dat in het bekroonde werk van een wetenschapper evolutie zo centraal stond. Ik heb gezocht op het internet naar wat ze precies gedaan heeft. Ik vond een erg goede video op youtube (38 min) waarin ze zelf uitlegt voor een algemeen publiek wat haar onderzoek inhoudt [5]. Kort: ze gebruikt evolutionaire principes in het lab om nieuwe enzymen en producten te maken. Daarvoor kijkt ze eerst naar hoe evolutie enzymen maakt.

Evolutie heeft een verbazingwekkende hoeveelheid enzymen geproduceerd
Ze maakt op een fantastische manier inzichtelijk hoe evolutie werkt, en hoe je Darwinistische evolutie kunt gebruiken om enzymen aan te passen voor nieuwe taken. Zij kan het uitleggen als geen ander. Het is haar levenswerk.

in het lab kunnen we iets creëeren wat niet in de natuur voorkomt
Haar doel doel is: enzymen en biochemische reacties produceren die nog niet in de natuur bestaan, en deze genetisch vastleggen in het DNA van bacterieën.

Een probleem daarbij is dat de vorm en functie van een enzym nog niet goed te voorspellen is aan de hand van de genetische code of de aminozuurvolgorde van een eiwit. Je weet niet aan welke knoppen je moet draaien om een eiwit een gewenste biochemische reactie te laten uitvoeren. Men kan een enzym niet van de grond af aan (from scratch) ontwerpen [7].

De mogelijke variaties op een enzym zijn zo groot ('protein space' of 'protein universe') dat je ze niet allemaal stuk voor stuk kunt uitproberen. Er zijn bijna oneindig veel mogelijke eiwitten [6]. Een bijkomend probleem is dat het eiwit universum vrijwel geheel 'leeg' is (zie plaatje). D.w.z. er zijn maar een paar kleine fitness eilandjes die evolutie heeft gevonden. Dus, hoe vind je die speld in een hooiberg? [1]


Fitness landscape met zeldzame fitness heuveltjes

Volgens Frances Arnold werkt evolutie omdat in voldoende gevallen iets nieuws ontdekt kan worden in een continue cyclus van mutatie en selectie. Dat heeft zij nagebootst in het lab. Het verschil met natuurlijke selectie is dat zij als selectie criterium niet de algemene fitness van het organisme kiest, maar een doel dat voor de mens nuttig is. En een tweede verschil dat het hele proces van mutatie en selectie versneld en grotendeels geautomatiseerd wordt [9]. In het begin wordt er lichte selectiedruk uitgevoerd, en die druk wordt afhankelijk van de resultaten opgevoerd.

Hoe kun je eigenlijk bestaande enzymen geheel nieuwe eigenschappen geven? Het antwoord is verbazingwekkend en elegant:

Enzymen met verschillende functies hebben een functieoverlap
en dat kun je zodanig versterken dat het een hoofdfunctie wordt.

Ieder enzym heeft al onopvallende nevenfuncties, zeg maar verborgen talenten. Enzymen vertonen een lage enzymatische activiteit voor andere reacties dan waarvoor evolutie ze 'ontworpen' heeft. Vergelijk dat met een schilder die ook een beetje timmerwerk kan verrichten en door oefenen daar beter in kan worden todat hij een echte timmerman wordt en zelden nog schildert.

Die nevenfuncties van enzymen kunnen we dus uitbuiten en versterken.

Door deze manier van werken vindt je nuttige mutaties die van te voren niet te voorspellen waren. Je begrijpt niet waarom bepaalde mutaties werken. Je bent blind bezig mutaties in genen aan te brengen. Je kunt de enzym activiteit niet voorspellen aan de hand van de mutaties. Je kijkt alleen naar het resultaat op enzym niveau. En dat probeer je door een eenvoudige screening vast te stellen. Door evolutie in het lab ontstaan oplossingen, d.w.z. totaal nieuwe structuren van eiwitten. Directed evolution in the lab does not just optimize, it innovates. Evolutie is creatief en innovatief. 
Dit lijkt allemaal eenvoudig, maar er gaat veel werk zitten in de keuze van het enzym dat je wilt verbeteren, hoe je mutaties aan brengt en hoe je selecteert.

Intermezzo
Een tot de verbeelding sprekend voorbeeld van Frances Arnold is de vraag: waarom heeft evolutie nooit het tweede meest algemene chemische element, Silicium, gebruikt? Er zijn geen Koolstof-Silicium (C-Si) verbindingen in de natuur. Maar gerichte evolutie in het lab kan menselijke chemici vele malen overtreffen in efficiëntie en selectiviteit. Die verbindingen heten organo-silicon compounds. New forms of life! Extraterrestrial life forms! [2],[3]. Idem voor: Koolstof-Boron verbindingen [4].

Haar methode van gerichte evolutie heeft overal ter wereld navolging gevonden in de chemische en farmaceutische industrie. Behalve praktische toepassingen heeft haar werk ook inzicht gegeven in de mogelijkheden en onmogelijkheden van de evolutie van enzymen in de natuur. Ze heeft dus ook een bijdrage geleverd aan de evolutiebiologie.

Dit Nobelprijs waardig onderzoek is zo diepgaand op evolutionaire principes gebaseerd, dat ik het niet overdreven vind om te claimen dat dit de eerste Nobelprijs voor evolutie is! [8]
 
Haar idealisme om haar onderzoek in te zetten voor een duurzamere wereld en haar weigering om voor de olieindustrie te werken, maakt haar ook nog eens een bijzondere en inspirerende vrouw die de Nobelprijs dubbel en dwars heeft verdiend. Of zoals het Nobel committee het zegt:
"The 2018 Nobel Laureates in Chemistry have taken control of evolution and used it for purposes that bring the greatest benefit to humankind. Enzymes produced through directed evolution are used to manufacture everything from biofuels to pharmaceuticals."
en dat op een milieuvriendelijke manier. Zie verder de wetenschappelijke toelichting van het Nobel comittee zelf (bevat een uitgebreide literatuurlijst):

Literatuur


Noten

  1. Haar plaatje met twee van elkaar geisoleerde fitness pieken roept bij mij de vraag op: hoe komt evolutie van A naar B als daartussen een grote zwarte 'death valley' (most mutations are deleterious) ligt? Waarschijnlijk moet je denken aan andere selectiedrukken die het fitness landschap verandert...
  2. Vergelijk met de mislukte claim dat er bacterië bestaan die Arseen in hun DNA geïncoporeerd zouden hebben. Dat is nooit op aarde aangetoond. Zie serie blogs beginnend met: Bacterie ontdekt die arsenicum in plaats van fosfor gebruikt (2 dec 2010) t/m Arsenicum bacterie: Felisa Wolfe-Simon antwoordt haar critici 3 juni 2011. 
  3. Bringing Silicon to Life, Caltech.
  4. Teaching Life a New Trick: Bacteria Make Boron-Carbon Bonds, Caltech 
  5. Philip A. Romero, Frances H. Arnold (2009) Exploring protein fitness landscapes by directed evolution is een overzichtsartikel in het Darwinjaar 2009 waarin ze directed evolution uitlegt met alle bronvermeldingen erbij; en ook met het plaatje van fitness landscape hierboven. (met dank aan Harry, 10-10-18)
  6. Belangrijk gegeven: nature has explored only an infinitesimal fraction of the possible proteins: omdat er oneindig veel mogelijke eiwitten van een gegeven lengte zijn, heeft evolutie maar een oneindig klein percentage van al die mogelijkheden ontdekt. Dit betekent dat There are so many proteins waiting to be discovered: er ook oneindig veel nieuwe enzymen te ontdekken zijn met o.a. directed evolution, maar ook door evolutie zelf. (10-10-18)
  7. In de tijd dat Frances Arnold begon met haar experimenten: "At the time, researchers thought that they would be able to sit down at a computer and rationally design proteins to carry out specific functions." bron: Nature, 11 okt 2018, 'Test-tube’ evolution wins Chemistry Nobel Prize'.
  8. “Our laureates have applied principles of Darwin in the test tubes, and used this approach to develop new types of chemicals for the greatest benefit of humankind.” citaat uit Nature artikel [7]. 
  9. Derde verschil: The ability to disconnect a protein from its in vivo function. Vierde verschil: natural evolution works on a different fitness landscape, etc. [11 okt 18]

6 comments:

  1. Gert dank voor je gedegen overzicht

    Ik had Arnold al op mijn lijstje staan in verband met die ‘gerichte evolutie’. Niet dat ik nou alles van haar gelezen heb, maar als eerste antwoord op jouw vraag hoe het nu zit met die lege proteine ruimte en ns dit:

    "Alternative search strategies. Evolution by the accumulation of single mutations has proven to be very effective at optimizing a function or property that already exists or can be reached through a series of intermediate steps. Some functions, however, simply can not be reached through a series of small uphill steps and instead require longer jumps that include mutations that would be neutral or even deleterious when made individually. Examples of functions that might require multiple simultaneous mutations include the appearance of a new catalytic activity or an activity on a substrate for which the parent and its single mutants show no measurable activity."

    en:

    Extending the lessons learned from directed evolution to natural evolution, however, requires caution. Er zijn dan ook de nodige verschillen, maar vooral, ‘natural evolution works on a different fitness landscape and it is unclear how the protein fitness assayed during directed evolution is related to the organismal fitness that natural evolution optimizes’. Philip A. Romero & Frances H. Arnold Exploring protein fitness landscapes by directed evolution Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 10, pages 866–876 (2009)

    Ofwel 'Organismal fitness' in de natuur is niet hetzelfde als 'proteine fitness' in de 'test tube' (Er bestaan geen naakte proteinen om Mayr te parafraseren). Maar natuurlijk hou je ook hier vanzelf een bepaalde selectie over, als je de rest weggooit.

    Arnold zelf is nogal bescheiden over haar werk: "efforts to date to generate novel catalysts have primarily demonstrated that we are getting good at making bad enzymes’Brustad EM1, Arnold FH. Optimizing non-natural protein function with directed evolution.Curr Opin Chem Biol. 2011 Apr;15(2):201-10. doi: 10.1016/j.cbpa.2010.11.020. Epub 2010 Dec 23.

    ReplyDelete
  2. Harry, bedankt voor het Frances Arnold artikel 'Exploring protein fitness landscapes by directed evolution', Nature Reviews Molecular Cell Biology. Ben het nu aan het lezen/bestuderen!

    ReplyDelete
  3. Harry, nogmaals bedankt voor het artikel 'Exploring protein fitness landscapes by directed evolution', Philip A. Romero & Frances H. Arnold, dat in het Darwinjaar verscheen in Nature Reviews Molecular Cell Biology.
    Het is een uiterst belangrijk artikel, de hoofdzaken (op z'n minst!) zouden in een up-to-date evolutieleerboek moeten staan. Ik weet niet hoe dat zit met de meest recente leerboeken.
    Anyway, het is verplichte stof als je op de hoogte wilt zijn van directed evolution (dus: in vitro selectie) en de mogelijkheden en onmogelijkheden van natuurlijke selectie wilt begrijpen.

    Je citaat van Arnold uit een 2011 artikel 'efforts to date to generate novel catalysts have primarily demonstrated that we are getting good at making bad enzymes' is wel erg pessimistisch (en is dus gelijk misbruikt door ID folks!) en komt niet overeen met haar eigen positieve resultaten.

    Erg leuk is haar erkenning van het pioniers werk van John Maynard Smith (ik ben een grote fan van hem).

    Ik ben nog aan het nadenken over consequenties voor natuurlijke selectie van enzymen (in het wild) zoals: hoe komt selectie van de ene fitness peak A naar de andere B als er een 'death valley' tussen zit. In de tweede publicatie zit ook een fitness landscape plaatje (http://www.che.caltech.edu/groups/fha/publications/Brustad_COCB2011.pdf). Wordt vervolgd...

    ReplyDelete
  4. Gert,

    geen dank, jongen

    `Making good enzymes will require a whole new
    level of insight, or new methodologies altogether`.. schrijven Brustad en Arnold in het artikel dat ik noemde )aardig maar je hoeft mij dan niet nog een keer de link te geven, of deed je dat voor andere lezers?)

    Dit laat aan duidelijkheid weinig te wensen over, Maar zit Arnold er hier naast, volgens jou? En geldt dat ook voor de rest van de conclusies?



    ReplyDelete
  5. Harry, die pessimistische uitspraak is in tegenspraak met haar eigen uitspraak: Directed evolution, however, has little trouble finding enzymes that are both highly active and highly stable when the experiments select for both properties.
    dat is optimistisch.

    Om wegwijs te vinden in deze complexe materie stel ik me zelf 4 vragen:

    1. hoe vindt je fitness optima in directed evolution (in het lab)?
    2. hoe vindt evolutie fitness optima? (is geheel andere vraag)
    3. hoe wordt het 'fitness landscape' (plaatjes) gedefinieerd? dat moet duidelijk zijn voordat je gaat discussieren)
    4. zijn die toepasbaar op de werkelijkheid of zijn ze daarvoor veel te abstract?

    ReplyDelete
  6. Harry, nog een positieve opmerking uit een interview in Science vandaag:
    "When Arnold started to use the random-mutation technique, she says, “we found beneficial mutations immediately. When we went and mapped those to the protein structures … we couldn't even explain them, much less predict them.”
    en:
    “It remains surprising to me how powerful evolution can be in the test tube,” says John Dueber, a biochemist at the University of California, Berkeley.

    ReplyDelete

Commentaar wordt gemodereerd bij posts ouder dan 30 dagen.