Kemipriset 2024 – Proteiners form
Nobelpriset i kemi 2024 handlar om proteiner – livets byggstenar. Pristagarna belönas för två upptäckter: att med hjälp av AI räkna ut hur alla kända proteiner i naturen ser ut och att skapa helt nya proteiner som inte finns i naturen.
Proteiner – livets molekyl
Proteiner bygger upp allt levande – växter, djur och människor. I vår kropp finns runt 20 000 olika proteiner som bland annat bygger upp muskler, hud, hår och naglar. Proteiner bildar även hormoner och enzymer, och transporterar syre i blodet.
Alla proteiner är uppbyggda av aminosyror. Det finns 20 olika aminosyror och de kan kombineras på olika sätt. Eftersom protein finns i nästan alla livsmedel får du i dig proteiner när du äter mat. Proteinerna i maten bryts sedan ner till aminosyror som förs ut i blodomloppet och tas upp av cellerna i din kropp.
Hur bildas proteiner?
När din kropp ska skapa nya proteiner använder den sig av aminosyrorna som finns i cellen. Informationen om hur aminosyrorna ska fogas samman – alltså i vilken ordning de ska komma – finns inne i cellkärnan, i DNA:t.
När ett visst protein ska bildas skapas en kopia av den information (mRNA) som behövs för att bygga just det proteinet. Informationen, det vill säga receptet för hur aminosyrorna ska sammanfogas, transporteras sedan till cellernas ”proteinfabriker”, ribosomerna. I ribosomen sammanfogas aminosyrorna i rätt ordning enligt receptet.
Hur ser proteiner ut?
Du kan tänka dig att proteinerna är som pärlband, där varje pärla är en aminosyra. Vissa proteiner är cirka 50 aminosyror långa. Andra kan vara tusentals aminosyror långa. När ett nytt protein har tillverkats inne i cellen viker pärlbandet av aminosyror genast ihop sig. Det vrider och ”veckar” sig, och får en specifik form – en tredimensionell struktur. Det är proteinets form som avgör vilken funktion ett protein får, till exempel om det ska bygga upp ett hårstrå eller en nagel.
Ibland kan det bli fel när proteinet veckar sig, och ibland kan det hända att proteinkedjor klumpar ihop sig. Då kan vi bli sjuka i exempelvis cancer eller Alzheimers sjukdom som gör att minnet försämras.
Forskning om proteiner
Det har forskats om proteiners form under lång tid. De första 3D-modellerna av hur proteiner ser ut togs fram på 1950-talet med hjälp av röntgenkristallografi, en teknik där man tar hjälp av röntgenstrålar för att lista ut en molekyls struktur. Det var ett enormt tidskrävande arbete. Som exempel tog det forskarna sex år att räkna ut hur ett enda protein, hemoglobin, som transporterar syre i blodet, såg ut. Det arbetet belönades med Nobelpriset i kemi 1962.
Efter detta lyckades forskarefå fram 3D-strukturen på ungefär 200 000 olika proteiner. All information om dessa proteiner – alltså deras strukturer och aminosyrasekvenser – samlades i olika databaser. Det är dessa databaser som ligger till grund för 2024 års Nobelpris i kemi.
AI-modellen AlphaFold2
Den ena halvan av Nobelpriset går till Demis Hassabis och John Jumper. De utvecklade AI-modellen AlphaFold2, som tränades med hjälp av informationen i de olika databaserna.
Tack vare Alphafold2 kunde forskarvärlden på bara några år räkna ut formen hos alla världens nästan 200 miljoner kända proteiner. Det som tidigare ofta tog flera år – om det ens var möjligt överhuvudtaget – går nu att göra på några minuter.
På bilderna nedan ser du några av de proteinstrukturer framtagna med hjälp av Alphafold2. Antibiotikaresistens är ett stort problem. Det innebär att bakterien får motståndskraft mot en eller flera typer av antibiotika. Då går det inte längre att behandla med de typerna av antibiotika.
Naturliga enzymer som kan bryta ner plast. Målet är att designa proteiner som kan användas för att återvinna plast.
Ett bakterieenzym som orsakar antibiotikaresistens. Strukturen är viktig att känna till för att kunna hitta vägar att förhindra antibiotikaresistens.
Datorprogrammet Rosetta
Den andra halvan av priset handlar om att skapa helt nya proteiner som inte finns i naturen, men som vi kan ha nytta av. David Baker skapade Rosetta, ett datorprogram som kunde gissa hur proteinerna skulle vecka ihop sig utifrån aminosyrasekvenserna.
Det visade sig att Rosetta fungerade väldigt bra. Då fick han en ny idé, som visade sig fungera lika bra, Han använda programmet baklänges! Istället för att mata in proteiners byggstenar i programmet och få veta dess form, skrev han in en önskad form och fick förslag på vilka aminosyror som behövs för att skapa just det proteinet. På det sättet kunde David Baker och hans forskarteam börja skapa helt nya proteiner, som i framtiden kanske kan användas som mediciner eller nya material.
Protein som binder till opioiden fentanyl (lila). Kan användas för detektion av fentanyl i miljön. Fentanyl är ett preparat som används i sjukvården för smärtlindring.
En nanopartikel (gul) med protein som härmar influensavirus på ytan (grönt). Har fungerat som vaccin i djurförsök. En nanopartikel har en diameter som bara är en nanometer, en miljondels millimeter.
Proteiner som vid yttre påverkan kan ändra form. Skulle kunna användas för att få fram minimala sensorer. En sensor är en typ av ”öga” eller ”öra” för tekniska system som hjälper dem att ”se” och ”höra” världen runt omkring.
2024 års Nobelpristagare i kemi
David Baker, biokemist och professor vid University of Washington.
Demis Hassabis, VD Google Deepmind.
John Jumper, Senior Research Scientist på Google Deepmind.
David Baker utvecklade datorprogrammet Rosetta. Demis Hassabis och John Jumper utvecklade AI-modellen Alphafold2.
David Baker kommer från USA och arbetar som biokemist. Han läste filosofi och samhällsvetenskap på Harvard University. Efter en kurs i utvecklingsbiologi ändrade han bana och blev så småningom fascinerad av proteinernas form.
Demis Hassabis kommer från Storbritannien. Han var i tonåren schackmästare och inledde en karriär som programmerare och spelutvecklare. Han börja utforska artificiell intelligens och grundade senare företaget Deepmind som utvecklade AI-modeller för populära brädspel. År 2018 anmälde han sig till en tävling som gick ut på att räkna ut proteinstrukturer.
John Jumper kommer från USA. Han var från början intresserad av universum och pluggade fysik och matematik. Hans intresse för proteiner startade när han var anställd på ett företag som använde superdatorer för att simulera proteiner och deras rörelser – då insåg han att kunskap i fysik kan bidra till att lösa medicinska problem. Till mänsklighetens största nytta
Till mänsklighetens största nytta
Pristagarnas upptäckter har redan fått stor betydelse. Under coronapandemin utvecklades till exempel ett protein som kunde binda till viruset och blockera det.
I den här korta filmen får du veta lite mer om pristagarnas upptäckter och varför de är till mänsklighetens största nytta: