Fot. Katalin Karikó, źródło: US Embassy Sweden

Katalin Karikó urodziła się 17 stycznia 1955 r. w małym miasteczku Kisujszallas na Węgrzech, które w tym czasie były państwem należącym do Związku Radzieckiego. Kati dorastała w ubogich warunkach, wychowana w jednopokojowym domku ogrzewanym piecem, bez bieżącej wody. Jej ojciec był rzeźnikiem, ale został zwolniony po tym, jak podpadł lokalnym funkcjonariuszom partii komunistycznej i zaczął pracować jako robotnik. Było to trudne życie, ale pełne miłości. Jej rodzina była zżyta, a państwo przynajmniej zachęcało do edukacji. Karikó była pracowita. – Nie uważam się za szczególnie inteligentną, ale to, czego brakowało mi w naturalnych zdolnościach, mogłam nadrobić wysiłkiem – mówiła. Brała udział w letnich zajęciach naukowych, następnie została studentką biologii na Uniwersytecie w Szeged i ostatecznie uzyskała tam tytuł doktora w 1982 r. Pracowała nad aktywnością przeciwwirusową krótkich segmentów RNA i rozpoczęła badania nad zmodyfikowanymi nukleozydami (rodzajem syntetycznego mRNA, w którym określone nukleozydy zostały zmienione lub zastąpione, zazwyczaj syntetycznymi lub naturalnie zmodyfikowanymi nukleozydami). Następnie kontynuowała pracę jako stypendystka podoktorska w Instytucie Biochemii, Biological Research Center of Hungary. W tym czasie pracowała już nad lipidami i transferem DNA za pośrednictwem liposomów, co było trafnym wyborem w kontekście tego, co będzie ważne dla jej kierunku naukowego w przyszłości. W wieku 22 lat zakochała się w Béli Francii, młodszym o pięć lat mechaniku. Pobrali się, a w 1982 r. Karikó urodziła ich córkę – Susan. Dwa lata później przeprowadzili się do Stanów Zjednoczonych z całymi swoimi oszczędnościami. Było to ok. 900 funtów, które zostały zaszyte w pluszowym misiu Susan, aby uniknąć węgierskich ograniczeń walutowych.

Po opuszczeniu Węgier dołączyła do laboratorium Roberta J. Suhadolnika na Uniwersytecie Temple w Filadelfii, korzystając ze stypendium podoktorskiego, gdzie pozostała do 1988 r., pracując nad transferem DNA do komórek ssaków i biologią RNA. Karikó natychmiast zabrała się do pracy. Spędzała dużo czasu w swoim laboratorium, czasami tam śpiąc. Jej mąż obliczył, że zarabiała ok. 1 dol. za godzinę. Pewnego roku, siedząc przy biurku, zdała sobie sprawę, że przepracowała wszystkie z 365 dni tego roku, w tym Nowy Rok. Katalin miała obsesję na punkcie informacyjnego RNA (mRNA) – materiału odpowiedzialnego za tłumaczenie naszego DNA na białka, tj. cząsteczki, z których jesteśmy zbudowani. Co ważne, mRNA jest niezwykle trudne w obróbce, ponieważ jest kruche i krótkotrwałe. Karikó była jednak przekonana, że może odegrać ważną rolę w medycynie i nieustannie walczyła o to, by mRNA stało się przedmiotem badań. Niewielu kolegów się z tym zgadzało, nazywając ją „szaloną damą mRNA”. Jej szef – Robert Suhadolnik – po początkowym wsparciu próbował doprowadzić do jej deportacji, ponieważ miała czelność szukać pracy na innym uniwersytecie.

Po krótkim pobycie na Uniformed Services University of the Health Sciences w Bethesda przeniosła się na University of Pennsylvania, aby pracować nad mRNA z Elliotem Barnathanem. Ponownie początkowo wszystko szło dobrze. Walczyła o finansowanie, wytrwale, sumiennie i metodycznie pracowała nad lepszym zrozumieniem regulacji mRNA, translacji i różnych podejść do terapii mRNA. Uniwersytet zaczął krytykować jej niepowodzenia w pozyskiwaniu grantów. Nie mogąc uzyskać finansowania, została zdegradowana w 1995 r., odmówiono jej kadencji, obcięto pensję, a w końcu – znaleziono jej rzeczy porozrzucane na korytarzu. – Były tam moje segregatory, plakaty, pudełka z probówkami – wspominała. W pobliżu technik laboratoryjny wrzucał rzeczy do kosza na śmieci. – Moje rzeczy! – uświadomiła sobie Karikó. Żeby było jasne – pomimo tego, że pracowała w maleńkim laboratorium od lat, badaczka – wówczas w wieku 50 lat – została wyrzucona bez uprzedzenia, ponieważ nie przyniosła „wystarczającej ilości dolarów na metr kwadratowy netto”. Krótko mówiąc, nie przyciągnęła wystarczającej liczby grantów, aby uzasadnić skromną przestrzeń, którą zajmowała. – To laboratorium pewnego dnia stanie się muzeum – powiedziała do kierownika, który ją zwolnił.

Tak więc rok 1995 był trudny dla Karikó. Jej mąż utknął na Węgrzech, zajmując się kwestią wizową, ona sama właśnie zachorowała na raka, a Uniwersytet Pensylwanii zdegradował ją ze ścieżki naukowej  prowadzącej do profesury zwyczajnej. Bez grantów wspierających jej pracę nad mRNA, bez swojego laboratorium, by kontynuować badania Karikó zaczęła myśleć, że nie jest wystarczająco dobra lub inteligentna, mówiąc w wywiadzie: – Myślałam o pójściu gdzie indziej lub zrobieniu czegoś innego. Mimo tego, co ją spotkało, zdecydowała się zostać na Uniwersytecie. I dobrze, bo w 1998 r. miała wpadkę przy kserokopiarce, która na dobre zmieniła jej karierę i historię mRNA... Karikó i dr Drew Weissman, który zaczął pracować na Uniwersytecie w 1997 r., często spotykali się przy rzeczonej kserokopiarce, czasami kłócąc się o to, kto pierwszy powinien z niej skorzystać. Karikó powiedziała Weismannowi, że może stworzyć dowolne mRNA. Weissman, również zainteresowany mRNA, słuchał uważnie i zdecydował, że chciałby współpracować z Katalin. Oboje rozpoczęli długą i ostatecznie udaną współpracę, badając mRNA i jego zastosowania. Zanim przejdziemy dalej do opowieści o odkryciu Kariko i Weissmana, kilka akapitów o historii mRNA w nauce.

Rozwój szczepionek mRNA jest zakorzeniony w fundamentalnych pracach, które wyjaśniły strukturę i funkcję mRNA oraz w tych, które umożliwiły produkcję mRNA in vitro. Wczesne wyniki dotyczące transkrybowanego RNA in vitro, opublikowane w 1989 r., wykazały, że mRNA może być wykorzystywane do transfekcji (procesu wprowadzenia obcego DNA lub RNA do komórki eukariotycznej) komórek i że transfekowane komórki faktycznie wytwarzają białka kodowane przez transfekowane mRNA. W 1990 r. zespół kierowany przez Philipa Felgnera zademonstrował pierwszy transfer genów za pomocą mRNA in vivo. Chociaż RNA jest mniej stabilne niż np. plazmidowe DNA, zdolność do transfekcji komórek mRNA i zmuszania ich do produkcji określonych białek wywołała podekscytowanie, zwłaszcza w przypadku opracowywania środków terapeutycznych. W połowie lat 90. XX w. koncepcja ta została również podchwycona przez naukowców pracujących nad szczepionkami i terapiami przeciwnowotworowymi. W 2000 r. kontynuowano rozwój szczepionek mRNA ukierunkowanych głównie na nowotwory i rozpoczęto pierwsze badania kliniczne. W 2010 r. wystartowały intensywne prace nad szczepionkami ukierunkowanymi na choroby zakaźne, początkowo prowadzone przez CureVac i Novartis, w obu przypadkach z „niezmodyfikowanym” mRNA.

W tym miejscu musimy zatrzymać się i przyjrzeć bliżej, jak działają szczepionki mRNA i jakie są ich rodzaje. „Klasyczne” szczepionki mRNA zawierają strukturę czapeczki, otwartą ramkę odczytu i ogon poli-A. Te mRNA są dostarczane do komórek, rybosomy rozpoznają mRNA, a ich otwarte ramki odczytu są tłumaczone. Jeśli otwarta ramka odczytu koduje antygen, odpowiedź immunologiczna przeciwko temu antygenowi jest wytwarzana zarówno przez limfocyty T, jak i limfocyty B, co prowadzi do odporności komórkowej opartej na przeciwciałach. Istnieje jednak drugi rodzaj szczepionki mRNA, zwany samoamplikującym się mRNA (SAM). W tym przypadku mRNA również posiada czapeczkę i ogon poli-A, ale dodatkowo koduje replikon, np. z alfawirusa. W tym przypadku replikon jest tłumaczony, a następnie dalej wzmacnia mRNA. Potencjalnie, stosując tę koncepcję, mniej początkowego RNA musi dotrzeć do komórki, ponieważ jest ono amplifikowane. Szczepionki przeciwko chorobom zakaźnym opracowane na początku 2010 r. przez CureVac były klasycznymi szczepionkami mRNA, podczas gdy szczepionki opracowane przez Novartis były szczepionkami opartymi na SAM.

Wracając jednak do Katalin Karikó i Drew Weissmana, ich spotkanie na Uniwersytecie Pensylwanii doprowadziło do długotrwałej i bardzo udanej współpracy. Ich wykształcenie w dziedzinie biochemii i immunologii uzupełniało się wzajemnie, podobnie jak ich osobowości, co doprowadziło do bardzo owocnych i innowacyjnych badań. Odkryli oni, że ogólnie rzecz biorąc, mRNA może indukować wrodzone odpowiedzi immunologiczne i aktywować wrodzone komórki odpornościowe, nawet jeśli są one obecne tylko w przestrzeni pozakomórkowej. Stwierdzili oni, że aktywacja ta jest wywoływana przez wykrywanie RNA przez receptor toll-podobny 3. Oczywiście aktywacja wrodzonej odpowiedzi immunologicznej i późniejsze wyłączenie translacji „obcego” RNA stanowi przeszkodę dla skutecznego dostarczania genów za pośrednictwem mRNA, co było głównym celem, nad którym pracowali Karikó i Weissman. Ten sam problem występuje w przypadku DNA dostarczanego do komórek, gdzie motywy CpG są rozpoznawane przez receptor toll-podobny 9 i wywołują wrodzoną odpowiedź immunologiczną. Jeśli jednak motywy CpG w DNA są metylowane, wrodzona odpowiedź immunologiczna nie jest indukowana. Karikó i Weissman pomyśleli, że podobne modyfikacje muszą istnieć, aby uczynić mRNA mniej immunogennym. W artykule „Immunity” z 2005 r. (artykuł został początkowo odrzucony zarówno przez „Science”, jak i „Nature”) wykazali, że kilka modyfikacji, w tym użycie pseudourydyny (ψ) zamiast urydyny, tłumiło wrodzone odpowiedzi immunologiczne. Ich przemyślenia na temat wpływu tego na rozwój terapii opartych na mRNA zostały wyrażone w ich przeglądzie.

Zagłębili się oni bardziej w mechanizmy ekspresji obcych genów i rozwój środków terapeutycznych. W przełomowym artykule z 2008 r. wykazali, że osiągnęli wyższe poziomy ekspresji in vitro i in vivo za pomocą RNA zmodyfikowanego pseudourydyną w porównaniu do niezmodyfikowanego RNA. Ponadto odkryli oni również, że zmniejszona indukcja wrodzonych odpowiedzi immunologicznych niekoniecznie była bezpośrednio związana z wyższymi poziomami ekspresji. W kilku dodatkowych badaniach uzupełniających wykazali, w jaki sposób modyfikacja pseudourydyny wpłynęła na terapeutyczne kandydatury mRNA, a także szczepionki mRNA. Ponadto zespół pracował nad lepszymi technikami oczyszczania mRNA w celu usunięcia zanieczyszczeń, które mogą także wywoływać niepożądane wrodzone odpowiedzi immunologiczne oraz nad skutecznymi metodami dostarczania, w tym LNP. Poczynili również duże postępy w dziedzinie szczepionek mRNA i opracowali metody ekspresji przeciwciał monoklonalnych in vivo przy użyciu platformy mRNA. Co więcej, opracowali oni wersję 2.0 zmodyfikowanego mRNA, która wykorzystuje 1-metylopseudo-urydynę (m1ψ) zamiast urydyny i ta modyfikacja jest stosowana w obecnych szczepionkach mRNA przeciwko COVID-19. Reszta to już historia nauki. Kiedy COVID-19 uderzył, BioNTech i Karikó zdali sobie sprawę, że są w doskonałej pozycji do walki z pandemią i przy wsparciu giganta farmaceutycznego Pfizer opracowali szczepionkę, która odegrała kluczową rolę w ochronie planety przed najgorszymi skutkami koronawirusa.

Ich technologia została przejęta przez firmę Moderna, a także BioNTech i była również wykorzystywana w ramach umowy o współpracy między firmami Pfizer i BioNTech w celu opracowania szczepionek mRNA przeciwko wirusowi grypy. Ich kluczowym wkładem w technologię szczepionek mRNA było jednak uświadomienie sobie, że niższa wrodzona odpowiedź immunologiczna na mRNA byłaby korzystna dla ekspresji białka docelowego i że rozwiązaniem tego problemu byłoby zastąpienie urydyn pseudourydynami. Warto zauważyć, że zarówno Karikó, jak i Weissman, pomimo ich znaczącego wkładu naukowego, nie są obecnie członkami Narodowej Akademii Nauk.