Evoluzione “in vitro” ed esposizione tramite virus batteriofagi: il premio Nobel per la Chimica 2018

Pubblichiamo un intervento di Sergio Rampino, ricercatore di Chimica-Fisica della Scuola Normale, sulla recente assegnazione del Nobel per la Chimica. L’articolo di Rampino rientra nel progetto Visions di divulgazione della cultura umanistica e scientifica.
Di Sergio Rampino
 

Il Nobel per la Chimica 2018 è stato assegnato a Frances H. Arnold (California Institute of Technology), George P. Smith (University of Missouri) e Gregory P. Winter (University of Cambrige). La motivazione, nitida ed essenziale come le linee di Niklas Elmehed che ritraggono i premiati su nobelprize.org, recita: “per l’evoluzione guidata degli enzimi” (metà premio spettante alla Arnold) e “per il phage display [esposizione via fago] di peptidi e anticorpi” (restante metà, a Smith e Winter in parti uguali).

Prima di illustrare con qualche dettaglio i principi dell’evoluzione guidata (meglio che “diretta” – come hanno reso alcuni media italiani dall’inglese directed evolution, esponendo però la traduzione a un rischio maggiore di ambiguità) e della tecnica dell’esposizione via fago, sarà utile ricordare che i peptidi sono una classe di composti chimici costituiti da una catena estremamente variabile di amminoacidi (i “mattoni” chimici della vita). Le proteine, tra cui enzimi ed anticorpi, sono peptidi che differiscono l’uno dall’altro proprio per via della sequenza amminoacidica e che risultano estremamente versatili in relazione a specifiche funzioni vitali. La sequenza di una determinata proteina, codificata nel rispettivo gene e dunque nel DNA, si traduce in un particolare ripiegamento della catena che conferisce alla proteina una determinata struttura tridimensionale (sulla spinta di interazioni tra porzioni della catena che possono essere anche molto distanti tra loro in termini di sequenza). Ora, è proprio questa conformazione spaziale (e in ultima analisi la sequenza amminoacidica che la determina) che conferisce alle proteine un elevato grado di adeguatezza rispetto alla funzione che devono assolvere. Infatti, tramite un meccanismo di “incastro ottimale” tra una regione specifica della proteina e una molecola bersaglio (immaginate una coppia chiave-serratura) e un susseguente adattamento reciproco delle due parti (il cosiddetto modello dell’adattamento indotto), un enzima è in grado di accelerare la conversione di un composto chimico legandolo in maniera selettiva o un anticorpo è in grado di avviare la risposta immunitaria incastrando lo specifico antigene da neutralizzare.

L’evoluzione guidata degli enzimi

Gli enzimi sono dunque dispositivi molecolari in grado di assolvere a un determinato compito in modo estremamente efficiente. Questa efficienza è il frutto di un lunghissimo processo evolutivo di adattamento della vita a condizioni di volta in volta diverse, alla base del quale opera un doppio meccanismo di mutazione genetica (di generazione in generazione, si introducono mutazioni nelle sequenze genetiche) e di selezione naturale (che garantisce la sopravvivenza e l’ulteriore evoluzione dei geni che esprimono gli enzimi più efficaci).Il processo evolutivo di un enzima può dunque essere visto come l’esplorazione di una cosiddetta superficie di ottimalità o adeguatezza (fitness landscape) nello “spazio delle sequenze” che lo esprimono (cfr. figura). Un punto nello spazio delle sequenze identifica una certa sequenza, mentre la sua altitudine rappresenta il grado di adeguatezza dell’enzima associato con riferimento a un determinato scopo. Punti vicini nello spazio delle sequenze identificano sequenze simili (ottenibili l’una dall’altra attraverso un numero esiguo di mutazioni), punti distanti identificano sequenze dissimili. Evolvere verso il grado ottimale o di maggiore adeguatezza significa percorrere il cammino, in salita, per la vetta più alta.
In tempi recenti l’uomo ha cercato di sfruttare le peculiarità e l’efficienza degli enzimi per scopi antropici in ambito industriale, farmaceutico, alimentare o ambientale, anche creandone di nuovi e cercando di ottimizzarli per uno scopo specifico sfruttando la conoscenza dei meccanismi di funzionamento delle proteine (design razionale). Ben presto però ci si è resi conto della complessità del problema della relazione tra sequenza, struttura e funzione. La rivoluzione avviata dalla Arnold consiste nell’abbandonare ogni velleità di comprensione per ispirarsi invece a un modello tanto semplice quanto efficace quanto quello della natura: introducendo un gene in un batterio ad elevata velocità di riproduzione, si può monitorare in laboratorio l’efficienza delle varianti di enzima associate alle mutazioni del gene ed operare di conseguenza una sorta di selezione artificiale. Così, tramite round iterativi di mutazione e selezione artificiale, è possibile far evolvere un enzima fino a scalare la vetta del fitness landscape su una scala temporale estremamente ridotta (mesi o anche settimane) se paragonata a quella dei processi evolutivi naturali. Inoltre i “reperti fossili” degli intermedi evolutivi, che nei processi evolutivi in vitro restano a disposizione dei ricercatori, costituiscono un potente strumento di indagine per la comprensione della relazione tra sequenza e funzione.

Phage display di peptidi e anticorpi

Come già detto, la seconda metà del Nobel premia lo sviluppo e l’ampliamento della tecnica dell’esposizione via fago che, combinata con i principi dell’evoluzione guidata, ha contribuito alla sintesi di nuovi farmaci per il trattamento di diverse malattie tra cui sclerosi multipla e cancro.

La tecnica del phage display, che fa uso di particolari virus (i batteriòfagi, o più comunemente fagi) in grado di infettare batteri, fu escogitata da Smith nel tentativo di identificare i geni responsabili della sintesi di determinate catene peptidiche. La tecnica consiste nell’introdurre un determinato gene nel DNA del fago e infettare un batterio con lo stesso fago. Nel replicarsi il fago finirà con l’esporre sul suo rivestimento proteico anche il peptide espresso dal gene, il quale può essere rilevato tramite l’uso di specifici anticorpi in grado di legarlo selettivamente.
Winter si è ispirato alla tecnica di Smith per guidare l’evoluzione di anticorpi che potessero funzionare da farmaci. Introducendo geni per la produzione di anticorpi nei fagi, è infatti possibile esaminare varianti di anticorpi (“librerie”) e selezionare quelli che si legano più efficacemente al bersaglio desiderato e generare, tramite l’evoluzione ripetuta del gene, anticorpi via via più efficaci ad uso terapeutico e diagnostico in vivo.
Grazie alle tecnologie di Smith e Winter, è dunque possibile sfruttare al massimo la potenzialità delle librerie anticorpali: collegare il peptide/anticorpo al gene responsabile della sua produzione, o, come si dice in gergo biologico, “associare il genotipo al fenotipo“.
* Si ringraziano Simone Potenti e Ottavia Vitaloni per una lettura critica della bozza di questo articolo ed utili suggerimenti al testo. *
Approfondimenti

Per chi volesse saperne di più, si segnalano i seguenti lavori (tre review e una lettera alla rivista Nature) a firma di Nobel:Frances H. Arnold, “Design by Directed Evolution“, Accounts of Chemical Research 31, 125-131 (1998), http://dx.doi.org/10.1021/ar960017fPhilip A. Romero & Frances H Arnold, “Exploring protein fitness landscapes by directed evolution“, Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 866-876 (2009), http://dx.doi.org/10.1038/nrm2805George P. Smith & Valery A. Petrenko, “Phage Display”, Chemical Reviews 97, 391-410 (1997), http://dx.doi.org/10.1021/cr960065dJohn McCafferty, Andrew D. Griffiths, Greg Winter & David J. Chiswell, “Phage antibodies: filamentous phage displaying antibody variable domains“, Nature 348, 552-554 (1990), http://dx.doi.org/10.1038/348552a0