Javier Lacadena Departamento de Bioquímica y Biología Molecular

PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2018

“De la evolución natural a la evolución artificial”

Derechos de autor de la imagen Johan Jarnestad

Premio Nobel de Química 2018

Evolución natural

“reproducción diferencial de los genotipos de una población, mediante el fenómeno de selección natural, que permite la

adaptación al entorno”

• Mutación-Recombinación-Selección

• Proceso dinámico

• Implica azar “predecible”

NGS Art Dept.

Premio Nobel de Química 2018

Evolución artificial

• Manipulación características heredables • Incremento frecuencia cambios genéticos • Control y manipulación reproducción • Selección dirigida fenotipos • Implica acción humana

Asociada a polémicas y confusiones

“natural vs artificial” “biológico o ecológico vs sintético”

“sin añadidos vs cancerígeno”

Trigo

Natural Artificial

Evolución de las proteínas

Divergente en su función Convergente en su estructura

Familias de proteínas formadas a partir de un ancestro común

Nº aminoácidos distintos por cada 100 residuos, respecto al organismo anterior

PROTEÍNAS: Herramientas naturales para la adaptación evolutiva

α-sarcina Restrictocina Hirsutelina A RNasa T1 RNasa U2 StnII

Dos ejemplos “UCM”

“los galardonados con el Nobel de Química en 2018 han logrado controlar la evolución y usarla con fines que aportan grandes beneficios a la humanidad".

“domaron los principios de la evolución”

“el premio este año supone una revolución basada en la

evolución”.

“han aplicado los principios de Darwin en los tubos de ensayo y

usado este enfoque para desarrollar nuevos tipos de químicos para el

beneficio de la humanidad”

“allanaron el camino para la producción de nuevos materiales o

biocarburantes más limpios, así como a terapias innovadoras”

Premio Nobel de Química 2018 Evolución molecular

La revolución de la evolución dirigida Premio Nobel de Química 2018

Evolución natural: Miles de millones de años Mutación por azar (patológicas, neutras, “adaptativas”) Selección por presión ambiental

Evolución dirigida: Semanas o meses Mutación “aleatoria-dirigida” Selección dirigida por búsqueda de soluciones a problemas concretos Intervención técnica y metodológica

¿Coinciden los “intereses” de la evolución con nuestras necesidades?

FRANCES H. ARNOLD Premio Nobel de Química 2018

• California Institute of Technology (Caltech), Pasadena, USA

• Profesora Ingeniería Química y Biotecnología

• 1993, Método de evolución dirigida de enzimas (Subtisilina)

• Aplicación: obtención de nuevos y mejores biocatalizadores

Expanding the Enzyme Universe: Accessing Non‐Natural Reactions by Mechanism‐Guided Directed Evolution Renata et al. (2015) Angewandte Chemie International Edition

An evolutionary approach consisting of multiple steps of random mutagenesis and screening in continually higher concentrations of organic solvent should result in enzymes that are substantially more active in organic media. (Arnold FH, 1991, Biotechnology)

The random mutagenesis approach, which mimics the natural evolutionary refinement process, can be used to "coax" enzymes into tolerating nonnatural environments. (Arnold FH, 1993, FASEB J)

Introducción de mutaciones aleatorias en el gen de interés

Clonación en bacterias y expresión de la batería de enzimas mutadas

Selección de enzimas mejoradas mediante ensayo asociado a la característica buscada

Nuevo ciclo de mutación-selección

Premio Nobel de Química 2018

Ejemplo de algunas técnicas de recombinación para obtención de mutantes

FRANCE ARNOLD

“Ya podemos explotar los mecanismos de la evolución para producir cosas que el hombre no sabe concebir” (F. Arnold, 2016)

Premio Nobel de Química 2018

P450’s

• Transferencia de carbenos y nitrenos

• Inserciones N-H • Aminaciones C-H • Aziridinación

alquenos • ….

• Oxidación alcoholes y aldehidos

• Hidroxilaciones • Expansión y

contracción anillos • Enlaces aril-aril • ….

Premio Nobel de Química 2018

Un ejemplo “UCM”

Un ejemplo “UCM”

7 mutantes caracterizados 4 años

100 mutantes 14 seleccionados

Semanas

GEORGE P. SMITH

Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface. (Smith, 1985, Science)

Searching for peptide ligands with an epitope library. (Scott and Smith, 1990, Science)

In Vivo Bacteriophage Peptide Display to Tailor Pharmacokinetics of Biological Nanoparticles. (Newton-Northup et al, 2014, Molecular Imaging and Biology)

Premio Nobel de Química 2018

• Universidad de Missouri, Columbia, USA

• Profesor Emérito

• 1985, Método Phage Display (Presentación de péptidos en fagos)

• Aplicación: Estudio unión proteína-proteína, identificación de ligandos

Inserción del DNA de interés en el gen codificante de una proteína de la cápsida

Expresión del péptido de interés en la superficie del fago

Selección por unión con la diana (ligando) de interés. Amplificación por infección de bacterias

Desarrollo de librerías de fagos para presentación de péptidos o proteínas

Sir GREGORY P. WINTER

Antibody engineering. (Winter, 1989, Philos Trans R. Soc Lond B Biol Sci)

By-passing immunization: building high affinity human antibodies by chain shuffling. (Marks et al, 1992, Biotechnology)

Making antibody fragments using phage display libraries (Clackson et al, 1991, Nature)

Humanized antibodies. Winter and Harris, 1993, Trends Pharmacol. Sci)

Improving the display of proteins on filamentous phage. Jestin et al, 2001, Res. Microbiol)

Premio Nobel de Química 2018

• Medical Research Council (Laboratory of Molecular Biology), Cambridge, UK

• Investigador Emérito

• 1988, Humanización del primer anticuerpo murino (mediante Phage display)

• Aplicación: Adalimumab (2002, aprobado para artritis reumatoide)

Obtención de librería de fagos expresando cDNa de scFV, Fab….

Selección por unión al antígeno diana

Amplificación fagos seleccionados y nueva ronda de mutagénesis

Obtención de anticuerpos con afinidades incrementadas

Premio Nobel de Química 2018

La revolución de la evolución dirigida Premio Nobel de Química 2018

¿En qué punto nos encontramos? ¿Existen riesgos?

Infinitas posibilidades

Gran desarrollo biotecnológico

Aplicación en múltiples campos

Redes de intercambio de información

Premio Nobel de Química 2018

"la naturaleza es el ingeniero más brillante de todos los tiempos". (FH Arnold, 2014)

Premio Nobel de Química 2018

Premio Nobel de Química 2018