mRNA to przepis na białko. Organizm człowieka według tego przepisu może wytworzyć białko, które pomaga mu w leczeniu choroby. Przepis świetny, lecz mRNA ma słaby punkt – jest niestabilne. Tę wadę udało się usunąć w 2005 r. zespołowi, którym dowodził prof. Jacek Jemielity. Kolejna modyfikacja mRNA opracowana przez zespół (to ubiegłoroczne doniesienia) pozwala na wyprodukowanie z tej samej ilości mRNA, znacznie większych ilości białka. I to badanie jest przełomowe.
Naukowiec znajduje się dzisiaj w czołówce specjalistów zajmujących się mRNA, a jego nazwisko wymieniane już było pośród 5-6 kandydatów do Nagrody Nobla w dziedzinie chemii, w związku z tymi badaniami.
Żałuje, że jego pierwsze odkrycie nie zostało wykorzystane w szczepionkach przeciw COVID-19, ale śledzi badania kliniczne, w których stosowane są szczepionki mRNA przeciw nowotworom – tu jego praca już znalazła zastosowanie. – Mam satysfakcję, że dostrzegłem coś, co stało się czarnym koniem – mówi w rozmowie z Serwisem Naukowym UW.
Rozmawiamy z prof. Jackiem Jemielitym, chemikiem, dyrektorem Centrum Nowych Technologii (CeNT) UW
Serwis Naukowy UW: – Kiedy po raz pierwszy zwrócił Pan uwagę na RNA, na mRNA i dlaczego?
Prof. Jacek Jemielity: – Po napisaniu pracy doktorskiej na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego miałem zaplanowany staż w Nowym Jorku. Ponieważ z czegoś trzeba żyć, szukałem miejsca, gdzie mógłbym popracować. Trafiłem do Zakładu Biofizyki na Wydziale Fizyki UW. Tam poznałem prof. Edwarda Darżynkiewicza. Prof. Darżynkiewicz w latach 80. przebywał na stażu w laboratorium Aarona Shatkina – jednego z dwóch odkrywców struktury czapeczki, czyli kapu na końcu 5’ mRNA. Zaczęliśmy współpracować. Miejsce tak mi się spodobało – do tego doszły w dość krótkim czasie moje pierwsze sukcesy na tym polu – że postanowiłem zostać w Polsce. Zacząłem zajmować się syntezą analogów struktury kapu, czyli chemicznie otrzymanego fragmentu RNA, który w naturze występuje na końcu 5’ mRNA.
Mniej więcej od 2001 roku robiłem narzędzia do badań enzymów, które metabolizują mRNA. Starałem się sprawić, żeby struktura kapu była przez te enzymy rozpoznawalna, ale nie degradowana. Mniej więcej w 2004-2005 czytając pewien patent pomyślałem, by go zastosować do pełnej długości mRNA i może miałoby to jakiś efekt terapeutyczny, olśniło mnie.
Nie mieliśmy wówczas możliwości, by rzecz zbadać biologicznie w Warszawie. Udało się dzięki współpracy z Bobem Rhoadsem z Louisiana State University. Ustaliliśmy, żeby on wykazał, że mój pomysł ma szansę zadziałać w komórkach. Po nieudanych próbach, w końcu zobaczyliśmy właściwości RNA, o które nam chodziło. Kiedy opublikowaliśmy nasze prace, prawie natychmiast zgłosili się do nas badacze z różnych stron świata. A między nimi Ugur Sahin, później znany jako prezes BioNTechu oraz Drew Weismann, późniejszy laureat Nagrody Nobla.
Sahin był szybszy i bardziej zdeterminowany. Wykupił licencję od Uniwersytetu Warszawskiego oraz uczelni z Luizjany i zaczęliśmy pracować nad tym, by zastosować nasz wynalazek w różnych szczepionkach, które rozwijał BioNTech – były to szczepionki przeciwnowotworowe.
Pracowaliśmy nad tym, aby związek, który można wbudować do mRNA uzyskać w takich ilościach, by przeprowadzić badania kliniczne. Pamiętam, że była to praca czasem dłuższa niż 24 godziny. Rekord to ponad 30 godzin, kiedy musiałem być w laboratorium, bo odbywał się jeden z końcowych procesów syntezy tego związku na dużą skalę i nie można było tego zostawić.
W tamtym czasie tłumaczyliście nam, co to jest mRNA, że na jednym z jego końców jest tzw. czapeczka, chroniąca to mRNA przed zniszczeniem, ale istnieje też enzym, który potrafi przeciąć mRNA i wtedy następuje jego degradacja. Zamieniliście wówczas jeden atom – jeden z 80 tys. – tlen na siarkę. To spowodowało, że to cięcie nie następowało. Wyzwaniem była stabilność mRNA, aby ono się nie degradowało. A potem – wytwarzanie większej ilości białka z tej samej niewielkiej ilości mRNA.
– To ciągle stanowi problem, chociaż stosuje się już inne narzędzia, żeby uzyskać lepszy efekt. Ale nasz wynalazek, wylicencjonowany przez BioNTech, a potem przez trzech potentatów na rynku farmaceutycznym, jest obecnie w kilkunastu badaniach klinicznych. W kilkunastu badaniach, już na ludziach, skuteczności szczepionek przeciwnowotworowych.
Mówił Pan, że trochę żałuje, że te pierwsze wynalazki nie zostały zastosowane w szczepionkach antyCOVID-owych. Jednak ta praca i tak wpisuje się w walkę z pandemią. Ma Pan satysfakcję, że dostrzegł zjawisko, które w czasie pandemii okazało się czarnym koniem. Liczba podanych szczepionek to są miliardy, to jest strasznie dużo istnień ludzkich.
– Raport WHO mówi, że dzięki szczepionkom ocalono 5 i pół mln istnień ludzkich. Powiedzmy, że nie wiadomo, czy to było 5,5 czy 3, czy 10 mln. Co do istoty nie ma to znaczenia. Natomiast możliwość pracy w obszarze, który ratuje ludzkie życie, to jest olbrzymia satysfakcja. Mam poczucie, że czas, który spędzam w laboratorium, ma wartość inną niż tylko teoretyczne rozważania.
Szczepionki onkologiczne i mRNA to bardzo ciekawe rozwiązanie. Są szyte na miarę. Taką szczepionkę precyzyjnie dopasowuje się do konkretnego pacjenta. To dopasowywanie trwa nie dłużej niż dwa miesiące, a polega na badaniu genetycznym komórek zdrowych i komórek nowotworowych tego człowieka.
– Tak. To jest olbrzymia zaleta technologii mRNA, że jest ona bardzo plastyczna. Możemy tam zakodować dowolne białko. A nowotwory znane są z tego, że są bardzo różnorodne i ten sam nowotwór u różnych pacjentów wynika z bardzo różnego profilu mutacji. Organizm potrafi naprawiać różne mutacje, które zachodzą w naszych kwasach nukleinowych, ale przy przekroczeniu pewnej masy krytycznej już sobie nie radzi i wtedy powstaje nowotwór. Oczywiście, znane są pewne szczególnie ważne geny, które często występują zwłaszcza w danym typie nowotworu, natomiast mutacje pomiędzy różnymi pacjentami są bardzo różnorodne. Jeśli więc chcemy wyszkolić nasz układ immunologiczny, żeby rozpoznał mutację danego białka, trzeba stosować podejście spersonalizowane. Gdyby zastosować szczepionkę w sytuacji, gdy pacjent nie ma takiej mutacji, będzie ona nieskuteczna. Dlatego nowotwór pacjenta poddaje się badaniom genetycznym i porównuje ze zdrowymi komórkami, co pozwala tak opracować szczepionkę, żeby zwiększyć szansę, aby zadziałała.
Nowotwory są dużo trudniejszymi wrogami niż wirusy. Mają szereg mechanizmów, żeby bronić się przed odpowiedzią układu immunologicznego. Dlatego ciągle nie mamy przełomu w szczepionkach przeciwnowotworowych, jednak to spersonalizowane podejście daje najlepsze wyniki i nie ma wątpliwości, że właśnie ono doprowadzi do skutecznych szczepionek przeciw nowotworom.
Szczepionki wykorzystywane są w badaniach klinicznych wobec wielu nowotworów. To między innymi rak jelita grubego i rak piersi.
– Rak głowy i szyi, czerniak złośliwy – często w pierwszej kolejności brany pod uwagę, jeśli tworzy się nową terapię. Generalnie – teoretycznie – każdy nowotwór można próbować leczyć tą metodą. Na pewno, w wielu wypadkach przy pierwszym podejściu poniesiemy porażkę. Jeśli jednak opracujemy pierwszą skuteczną szczepionkę, to każdą kolejną będzie znacznie łatwiej zrobić. Nasza wiedza jest coraz większa i wiemy, na co trzeba zwrócić uwagę.
Pole działania szczepionek, które wykorzystują mRNA wydaje się bardzo szerokie. To nie tylko onkologia, ale zaburzenia metaboliczne, medycyna regeneracyjna. Fascynująco wyglądał pomysł, by z pomocą mRNA odbudowywać serce po zawale.
– To jedno z najbardziej obrazowych zastosowań. Założenie jest takie: pacjentom po ciężkich zawałach serca, podczas operacji, wstrzykiwane jest mRNA kodujące białko powodujące tworzenie naczyń krwionośnych. Dzięki temu następuje lepsze ukrwienie mięśnia sercowego. Może nie dziś, nie jutro będziemy świadkami takich zastosowań w rzeczywistości, ale z całą pewnością jest to możliwe.
To, co teraz powszechnie testuje się w badaniach klinicznych, to zastosowanie mRNA do edycji genomu. Gdy mamy rzadką chorobę genetyczną i trzeba naprawić kod genetyczny albo wymieniając cały gen, albo tylko pojedyncze mutacje – daje się to zrobić metodą CRISPR-Cas9. Komponent Cas9 w tej nazwie pochodzi od białka bakteryjnego. To białko właśnie trzeba dostarczyć. W wielu przypadkach najskuteczniejszym rozwiązaniem jest dostarczenie go w postaci mRNA. Ta procedura ma olbrzymi potencjał terapeutyczny. A jest to połączenie dwóch odkryć, z których każde zostało nagrodzone Nagrodą Nobla, pierwsze to technologia CRISPR-Cas9 (technologia modyfikacji genomu nazywana często nożyczkami genetycznymi – przyp. red.), drugie – mRNA do zastosowań terapeutycznych.
Dalej na tapecie – w kontekście zastosowań mRNA – są choroby zakaźne. Wymieniana jest ZIKA, RSV.
Jeśli chodzi o choroby wirusowe, mRNA powoli staje się standardem. Jest technologią znacznie łatwiejszą do zastosowania i do dostosowania do różnych wersji wirusów. One się zmieniają, jak chociażby sezonowe wirusy grypy. Myślę, że technologia mRNA będzie powoli wypierać bardziej tradycyjne szczepionki, już jest gotowa na tego typu zastosowania.
W innych przypadkach – szczepionek przeciwnowotworowych czy leczenia genetycznych chorób rzadkich, w których prawidłowe białko musi powstawać przez całe życie pacjenta – trwają badania. W chorobach rzadkich nie możemy zbyt często podawać mRNA, ale gdyby zapewniało ono powstawanie prawidłowego białka przez dłuższy czas, wówczas można myśleć o leczeniu chorób genetycznych, takich jak mukowiscydoza czy dystrofie mięśniowe.
Zainteresowanie nauki od pewnego czasu przyciąga epigenetyka. Epigenetyka zajmuje się zmianami w ekspresji genów, pomaga odpowiadać na pytania, w jaki sposób otoczenie, dieta, styl życia wpływają na nasze geny. Mechanizm epigenetyczny, to pewna zmiana genów – nie zmienia jednak sekwencji DNA, ale wpływa na funkcję genów, na ich działanie. Okazuje się, że mRNA może mieć z epigenetyką coś wspólnego.
Epigenetyka to pojęcie bardziej związane z DNA. Pewne geny są metylowane i w związku z tym ich ekspresja, czyli powstawanie mRNA, a potem białka, które koduje dany gen, jest aktywowane bądź dezaktywowane. Epigenetyka powiązana jest m.in. z tym, że mimo iż jakaś cecha nie jest zakodowana w genach, przenosi się między pokoleniami. To wynika właśnie z tego, jak metylowane są różne geny – w jakim stopniu enzymy odpowiedzialne za ich aktywację, dezaktywację, ulegają ekspresji w naszym organizmie. Podobne zjawisko jest obserwowane w mRNA. Nazywamy to posttranskryptomiką. Po przepisaniu genu z DNA na RNA, RNA może ulegać pewnym bardzo subtelnym modyfikacjom. W kluczowych miejscach RNA następuje metylacja, która w dość dramatyczny sposób może zmieniać jego właściwości – również to, jak skutecznie z danego RNA powstają białka.
Zauważyliśmy, że na samym końcu 5’ mRNA, czyli w obrębie czapeczki, jest właśnie miejsce modyfikacji posttranskrypcyjnej, że jeden z nukleotydów jest metylowany. Nie udało nam się znaleźć powodu, dla którego natura wprowadziła tę metylację, postanowiliśmy natomiast sprawdzić, co by się stało, jeślibyśmy wprowadzili inne grupy zamiast grupy metylowej, czy będzie to miało jakikolwiek wpływ na właściwości RNA. I tak udało nam się opracować analog struktury kapu, czyli taką czapeczkę, która w tej chwili naszym zdaniem jest najskuteczniejszym aktywatorem procesu translacji – zamiast grupy metylowej wprowadziliśmy grupę benzylową. Jaki jest efekt? Modyfikacje epigenetyczne i posttranskrypcyjne są odwracalne – gdy enzymatycznie wprowadzana jest grupa metylowa, to później może ona być usunięta i efekt jest usuwany. Natomiast grupa benzylowa – okazuje się – modyfikuje RNA nieodwracalnie.
Zasadnicze pytanie – czego sygnałem jest modyfikacja w tym miejscu – pozostaje bez odpowiedzi. Tego ciągle nie wiemy, choć mamy szereg hipotez. Jednak dla nas najważniejsze jest, że gdy wprowadzamy zmodyfikowane mRNA, to w bardzo wielu różnych układach biologicznych, w wielu sytuacjach, ekspresja, czyli ilość białka powstającego z tej samej ilości RNA jest znacznie, znacznie większa. Czasem to jest 10 razy więcej, czasem 5, a czasem 100 razy więcej. To jest olbrzymi efekt. I ten efekt biologiczny jest najważniejszy. Czyli fakt, że gdy wprowadzimy z zewnątrz zmodyfikowane w taki sposób RNA, to zostanie z niego wyprodukowane znacznie więcej białka terapeutycznego. To otwiera nieco szerzej drzwi do bardziej skomplikowanych zastosowań cząsteczek mRNA.
Niedawno w „Nature Communications” ukazała się praca, której jest Pan współautorem, o mRNA i świdrowcach, pasożytniczych pierwotniakach. Dlaczego zwróciliście uwagę na świdrowce?
Świdrowce słyną z tego, że mają mRNA – to po pierwsze, jest to pod pewnymi względami wyjątkowe. Po drugie – charakterystyczną cechą świdrowców jest, że ze wszystkich znanych organizmów, które mają RNA, a na końcu RNA strukturę kapu, mają ten kap najbardziej zmodyfikowany.
To nas zawsze fascynowało – po co natura wymyśliła takiego świdrowca, który ma tak zmodyfikowaną strukturę kapu? Wobec czego dawno dawno temu strukturę kapu ze świdrowca zsyntetyzowaliśmy chemicznie, czyli odtworzyliśmy.
W pewnym momencie badaczka z Grenoble Ewa Kowalinski zapytała, czy nie zechcielibyśmy z nią współpracować. Ja, zafascynowany strukturą kapu u świdrowców, natychmiast się zgodziłem. Zaczęliśmy przygotowywać dla nich narzędzia, dzięki którym byli w stanie badać procesy metabolizmu RNA u świdrowców, przy użyciu niezwykle atrakcyjnej metody – za to też była Nagroda Nobla – czyli kriomikroskopii elektronowej. Kriomikroskopia pozwala na poznanie struktury przestrzennej znacznie większych kompleksów niż tylko pojedyncze białko. Połączyliśmy siły – my się specjalizujemy w mRNA, oni w kriomikroskopii.
Świdrowce niestety, oprócz tego, że są takie interesujące, to wywołują bardzo poważne choroby – choroby ludzi, choroby zwierząt hodowlanych. Jedną z najbardziej znanych są leiszmaniozy, bardzo groźne. Poznając strukturę tych olbrzymich kompleksów makrocząsteczek zaangażowanych w metabolizm RNA, dostarczamy wiedzy, jak być może dałoby się selektywnie wpłynąć na rozwój świdrowców w organizmie ludzkim nie szkodząc człowiekowi, a uniemożliwiając świdrowcowi funkcjonowanie.
Zmierzamy w stronę leków albo jakiejś tarczy obronnej…
Zawsze najbardziej fascynujące były dla mnie potencjalne zastosowania dla poprawy życia człowieka. Bo też najbardziej potrzebne. Gdy powstawał nasz pierwszy wynalazek, wylicencjonowany dla BioNTechu, moja obecnie 21-letnia córka, miała wtedy 2,5 roku i zachorowała na białaczkę. To jest takie doświadczenie w życiu, które po prostu ustawia pewne sprawy. W przypadku mojej córki, wszystko dobrze się zakończyło. Natalia studiuje biotechnologię – póki co, jako jedyne z moich dzieci wybrała ścieżkę najbliższą temu, co robię. Natomiast to doświadczenie pozwoliło mi zrozumieć, że rzeczami trzeba zajmować się na serio. Nie można udawać, że się coś robi. Na własne oczy widziałem, że praca, taka jak moja, może być przydatna, ale tylko wtedy, jak zaangażujemy się w to naprawdę.
Teraz najgorętszym tematem jest RNA cyrkularne. O co chodzi?
To projekt, którym zajmujemy się już cztery lub pięć lat. Przy okazji jednej konferencji, zainspirowałem się rozmową z Ugurem Sahinem, który powiedział, że to może być przełom. Była praca z MIT, z Bostonu, pokazująca, że cyrkularne RNA może ulegać ekspresji – pamiętam, że wtedy powiedziałem: my to zrobimy, tylko zrobimy to lepiej. Bo cyrkularne RNA robione biologicznymi metodami nie ma struktury kapu. A kap jest niezbędny do klasycznej translacji – rozszyfrowania informacji zawartej w mRNA i utworzenia na jej bazie białka. Cyrkularne RNA zrobione przez grupę z MIT ulegało translacji poprzez nietypowy mechanizm, jaki wykorzystują wirusy, czyli przez IRES.
My robimy to inaczej. W ramach Wirtualnego Instytutu Badawczego, w konsorcjum z czterema instytucjami warszawskimi, jesteśmy odpowiedzialni za chemiczną cyrkularyzację olbrzymiej cząsteczki RNA. Jest bardzo wrażliwa. Nikt nigdy by nie uwierzył, że można to chemicznie, z bardzo dużą wydajnością, zamknąć w kółko i to kółko działa. Teraz, po ponad czterech latach, będziemy publikować pierwszą pracę.
Mamy nadzieję, że cyrkularne RNA, pozbawione końców, które są jego najsłabszymi ogniwami, ale jednocześnie mimo to posiadające strukturę kap, będzie ulegało ekspresji w organizmie znacznie dłużej. Myślimy o technologii do zastosowań w leczeniu genetycznych chorób rzadkich. Mamy pozytywne wyniki wstępne, pierwsze wyniki także na modelach zwierzęcych. To jest coś, co naukowo teraz najbardziej nas fascynuje.
Mówimy o wielu nowych rozwiązaniach, projektach, wynalazkach. W przypadku badań ważna jest ochrona intelektualna.
Najważniejsze, żeby pewne rzeczy były opatentowane, bo czasem nawet prosta, krótka informacja medialna – przy złej woli i skuteczności tych, którzy z nami konkurują – może zniweczyć działania.
Patentowanie jest bardzo, bardzo ważne. Na samym początku, dla mnie jako człowieka, który fascynuje się badaniami naukowymi, proces patentowania był niezwykle nudny i czasochłonny. Z mojego punktu widzenia bardzo spowalniał działania, które dla nas były najciekawsze, czyli odkrywanie pewnych rzeczy. Ale w szpitalu, towarzysząc córce w mierzeniu się z nowotworem, uświadomiłem sobie, że jeśli nie ochronimy naszego wynalazku, to nikt się tym nie zainteresuje. Firma BioNTech nie kupiłaby od nas licencji, bo w technologiach terapeutycznych firmy farmaceutyczne muszą bardzo dużo zainwestować. Inwestują pieniądze, czas, muszą przeprowadzić badania kliniczne i muszą mieć nadzieję, że będą miały przewagę nad konkurencją.
Zarabianie pieniędzy jest potrzebne do robienia nauki.
Model współpracy dużych firm farmaceutycznych z uniwersytetami, czy nawet z takimi małymi spółkami, jak ta, którą my założyliśmy, ciągle się zmienia.
Odnoszę wrażenie, że to, iż ze środków publicznych dużo pieniędzy jest inwestowanych na wczesnych etapach, duże firmy farmaceutyczne wykorzystują, żeby minimalizować ryzyko niepowodzenia. W związku z tym inwestują tylko w rozwiązania, które już zostały zweryfikowane przynajmniej w pierwszej fazie badań klinicznych. Mam z tym pewien problem. Z jednej strony badania wczesnych faz finansowane ze środków publicznych mają na celu poprawę sytuacji potencjalnych pacjentów, ale z drugiej strony wydaje się, że największym beneficjentem tych inwestycji są firmy farmaceutyczne, które minimalizują ryzyko porażki, korzystając z rozwiązań, które zostały już sprawdzone w pierwszej fazie badań. Wtedy z większym prawdopodobieństwem inwestują olbrzymie pieniądze, już niedostępne do finansowania ze źródeł publicznych. Inwestują, ale także minimalizują ryzyko porażki i maksymalizują swój zysk.
W czasie pandemii, mRNA cieszyło się niezwykłą popularnością. Teraz jest czas mrówczej pracy nad jego nowymi zastosowaniami, ale to praca już bez blasku fleszy.
Sukces szczepionek mRNA bardzo napompował ten obszar terapeutyczny pieniędzmi i oczekiwaniami. A nowe technologie – jeśli nie ma dodatkowych sytuacji, jak pandemia – idą sobie swoim tempem. Więc jest teraz pewne rozczarowanie – dlaczego nie ma kolejnych terapii, czemu nie ma szczepionek przeciwnowotworowych? One będą, tylko będą w swoim czasie. Dla takiej spółki jak nasza, ExploRNA, to nie jest łatwy czas, bo jest w tej chwili duża ostrożność. Wszyscy mówią: poczekajmy, co się wydarzy, wtedy ewentualnie zainwestujemy. A czas dla małych spółek jest zawsze skończony. Kończy się wraz z końcem pieniędzy na finansowanie.
Okres finansowania nauki w Polsce obejmuje maksymalnie 5 lat.
Dla biotechnologii to jest krótki czas. Zdecydowanie za krótki, żeby odnieść sukces.
Nie jest łatwo dobrze finansować naukę, trzeba mieć dobre systemy wspierania projektów. A żyjemy w systemie ciągłego jej niedofinansowania. Daję przykład: żeby móc przystąpić do żniw, najpierw trzeba zasiać. Ten zasiew się dzieje na uniwersytetach. Jeśli część naszego PKB w Polsce przeznaczona na naukę od 30 lat wygląda tak, że zawsze szorujemy po dnie, jesteśmy gdzieś w ogonie Europy, to trudno się dziwić, że ziarna są czasem słabe, a plony kiepskie.
