Fot. Prof. Jacek Jemielity, źródło: OneHD/Archiwum FNP

Czytając informacje o osiągnięciu Pana zespołu, prawie wszystkie nagłówki tytułów prasowych rozpoczynają się podobnie: „Przełomowe odkrycie naukowców z UW...”. Wiemy, że jest Pan kierownikiem i twarzą tego przedsięwzięcia, natomiast ciekawi mnie, kto jeszcze zapracował na ten sukces?

Nasz zespół, jak na zespół naukowy, jest dość duży. Funkcjonujemy w ramach dwóch jednostek UW – Centrum Nowych Technologii oraz Zakładu Biofizyki na Wydziale Fizyki. Tworzymy zespół ok. 30-35 osób. Natomiast w pracy opublikowanej w „Nucleic Acids Research” jest 7 współautorów.

Te 35 osób to stały zespół?

Realizujemy szereg różnych projektów, nie wszystkie związane są z modyfikowanym mRNA. Do każdego zadania dobieramy skład zespołu tak, żeby jak najefektywniej realizować projekt. Mniej więcej połowa osób zajmuje się modyfikowanym mRNA, czyli syntezą modyfikowanych nukleotydów, które są substratami do otrzymywania modyfikowanego mRNA. Są osoby, które zajmują się syntezą samego mRNA, inni poświęcają się badaniu oddziaływań RNA-białko. Tego typu badania wymagają interdyscyplinarnego zespołu badawczego.

W swojej pracy opisaliście Państwo metodę wydajnego wytwarzania mRNA. Na czym ona polega?

Informacyjne RNA to nasz komórkowy przepis na wytwarzanie białek. Cała informacja genetyczna o naszych organizmach jest zakodowana w DNA. Kiedy komórka wysyła sygnał, że potrzebuje danego białka, to fragment DNA przepisywany jest na cząsteczkę mRNA, a ono w cytoplazmie wykorzystywane jest jako przepis na konkretne białko. To naturalny mechanizm, który nieustannie przebiega w naszych komórkach. Ten mechanizm może zostać wykorzystany do otrzymywania w komórkach białek, ale przepis może być dostarczony nie z jądra komórkowego, tylko z zewnątrz. Możemy więc wykorzystywać mRNA do celów terapeutycznych. Tyle że w naturze mRNA jest cząsteczką nietrwałą. Taka też jest jego funkcja. Ono musi zostać w konkretnym momencie, kiedy jest zapotrzebowanie na dane białko, wytworzone i dostarczone do cytoplazmy. Tam następuje jego ekspresja (biosynteza białka) na bazie mRNA i potem ulega degradacji. Niemodyfikowane mRNA jest zbyt nietrwałe, żeby można było wykorzystać je jako terapeutyk. I dlatego od kilkunastu lat nasz zespół pracuje nad tym, jak zmodyfikować RNA na tyle subtelnie, żeby: nie zaburzać jego funkcji, było odpowiednio trwałe, było efektywną matrycą do wytwarzania w komórkach białek. Takie mRNA jest obecnie testowanie – już często na pacjentach w badaniach klinicznych jako potencjalny terapeutyk przeciwko chorobom nowotworowym, chorobom wirusowym, rzadkim chorobom genetycznym albo innym, w których u danego pacjenta jakieś białko jest wytwarzane w zbyt małej ilości lub w formie zdefektowanej. Dlatego niedawno pojawiły się informacje, że firmy próbujące wprowadzić mRNA jako terapeutyk pracują nad szczepionkami przeciwko koronawirusowi i rozpoczynają już badania kliniczne, mimo że genom tego wirusa znany jest dopiero od kilkudziesięciu dniu.

Wspomniał Pan, że szukaliście sposobu, by zmodyfikować RNA tak, by nie zaburzać jego działania i by jednocześnie było ono odpowiednio trwałe. Jak udało się to osiągnąć?

RNA na swoim końcu 5’ posiada unikalną strukturę zwaną kapem. Ona pełni szereg ważnych funkcji – inicjuje proces biosyntezy białka. To mRNA, żeby ulec translacji, musi być rozpoznane przez różne czynniki białkowe. Pierwszy etap to eIF4F. Struktura kapu chroni RNA przed przedwczesną degradacją. W komórkach znajdują się egzonukleazy, które tną cały łańcuch mRNA, ale dopóki struktura kapu jest nienaruszona, jest on bezpieczny. Oczywiście są takie enzymy, które są w stanie odciąć strukturę kapu od mRNA i następuje jego szybka degradacja.

My zaczęliśmy modyfikacje RNA od sprawienia, aby mRNA było szybciej kierowane do maszynerii translacyjnej, szybciej rozpoznawane przez fabryki białek i żeby RNA było trwalsze. Udało nam się to zrobić przez prostą modyfikację w strukturze kapu i zastąpienie jednego z atomów tlenu przez atom siarki. I to jest ta pierwsza generacja analogów kapu, która została skomercjalizowana. Zanim to opublikowaliśmy, złożyliśmy wniosek patentowy. Później UW podpisało licencję z BioNTech – pionierem w wykorzystaniu terapeutycznego mRNA. W międzyczasie szukaliśmy nowych rozwiązań i okazało się, że nie tylko struktura kapu sama w sobie jest istotna, ale też to, co znajduje się w jej najbliższym sąsiedztwie – a jest to pierwszy transkrybowany nukleotyd. Takie mRNA, otrzymywane metodą in vitro, zawsze w tym miejscu posiadało guanozyny – jeden z czterech nukleotydów wchodzących w skład mRNA. Natomiast my, stosując nieco rozszerzoną wersję struktury kapu, byliśmy w stanie włożyć tam guanozynę, ale także adenozynę, cytydynę i urydynę, czyli wszystkie cztery nukleotydy, a nawet jeszcze modyfikowaną wersję adenozyny, odkrytej niedawno w naturze. Okazało się, że guanozyna, którą do tej pory wszyscy stosowali, jest najgorszym możliwym wyborem. Wszystko inne istotnie zwiększa poziom translacji. Dzięki temu możemy uzyskać nawet kilkadziesiąt razy więcej białka. To, co dotychczas zrobiliśmy, zwiększało produkcję białka kilkakrotnie, czasem do 10 razy. Natomiast to, co odkryliśmy teraz, pozwala znacząco poprawić ten wynik, mimo że nie wprowadzamy żadnych innych modyfikacji chemicznych, które wzmacniają strukturę kapu. Konsekwencje tego odkrycia są takie, że jesteśmy obecnie w stanie wytworzyć mRNA, które ma znacznie lepsze właściwości z punktu widzenia zastosowań terapeutycznych, wyniki tych badań nie są jeszcze opatentowane. Złożyliśmy dopiero wniosek patentowy, gdzie wskazujemy, że jesteśmy w stanie uzyskać takie RNA, które daje większe właściwości dla terapeutycznych zastosowań, niż wszystko, co do tej pory zostało – w kontekście terapeutycznego RNA – wytworzone.

Czy możemy mówić zatem o kolejnym przełomie?

Poniekąd tak, chociaż słowo „przełom” jest nadużywane w nauce. Ciągle mówimy np. o przełomach w leczeniu nowotworów, jednak one wciąż są olbrzymim problemem. Natomiast już publikacja w „Nucleic Acids Research” sprawiła, że mamy olbrzymie zainteresowanie ze strony firm, które zajmują się terapeutycznym mRNA.

Złożyliście zatem wniosek patentowy. Kiedy ukaże się artykuł na ten temat?

Bardzo trudno to jednoznacznie stwierdzić. Same wyniki moglibyśmy opublikować już wkrótce, natomiast jeśli uda nam się wyjaśnić, dlaczego pewne wprowadzone modyfikacje dają taką poprawę, moglibyśmy opublikować artykuł w znacznie lepszym czasopiśmie. Spróbujemy więc najpierw to wyjaśnić. Patent został złożony, więc odkrycie jest zabezpieczone.

Czyli mówimy o perspektywie roku, dwóch lat czy dłuższej?

Badania naukowe są nieprzewidywalne. Jeśli nasze pierwsze podejście do uzyskania odpowiedzi na to pytanie będzie skuteczne, to może się to stać w tym roku, ale jeśli będziemy musieli zastosować więcej różnych metod, to pewnie będzie to trwało dłużej. Tak czy inaczej, w przyszłym roku musimy już opublikować wyniki, zanim ukaże się publikacja patentu. Precyzując, mamy 18 miesięcy.

Jak rozumiem, to odkrycie ma jeszcze większy potencjał komercjalizacyjny, niż poprzednie?

Tak. Nowe odkrycie zwiększa szansę na zastosowanie mRNA jako terapeutyku, gdyż z jeszcze mniejszej ilości RNA możemy uzyskać wystarczającą odpowiedź biologiczną w komórkach. Jednak musimy mieć na uwadze to, że jesteśmy w trochę innym momencie wdrażania tej technologii. Przy pierwszym odkryciu byliśmy na samym początku, kiedy wszystkie firmy poszukiwały rozwiązań. W tym momencie jesteśmy w piku zainteresowania terapeutycznym mRNA. Wiele firm zainwestowało już bardzo duże pieniądze w badania kliniczne. Niektóre z nich na pewno nie będą chciały się cofać i zaczynać badań od początku, nawet jeśli jest lepsze rozwiązanie. Natomiast oczywiście są tacy, którzy są zainteresowani.

Ścigacie się tylko z czasem czy też z zespołami szukającymi odpowiedzi na to samo pytanie?

Działalność naukowa obarczona jest dużą konkurencją. Naukowcy publikują wyniki swoich prac, a one są dostępne dla innych badaczy. Często jest to inspiracja dla nich do prowadzenia własnych badań i w sytuacji, kiedy terapeutyczne mRNA jest gorącym tematem, dodatkowo napędzanym przez epidemię, to oczywiście zachęca innych badaczy do zajęcia się tym samym. Mamy jednak pewną przewagę, bo zajmujemy się tym od wielu lat.

No właśnie, od ilu dokładnie?

Jeśli chodzi o tworzenie reagentów do modyfikacji RNA, to od wielu lat. Jeśli chodzi o ich wykorzystanie do modyfikacji RNA i potem badanie właściwości RNA, to od 6. Wcześniej te badania prowadziliśmy we współpracy.

W jednym z artykułów, poświęconych metodzie wydajnego wytwarzania mRNA, mówił Pan: „To praca naukowa, w której mają udział wyłącznie Polacy”. Nieczęsto zdarza się, aby badania bez zagranicznych ośrodków naukowych osiągnęły uznanie recenzentów na tak wysokim poziomie. Czy to, że zespół nie był międzynarodowy, było pewnym ułatwieniem? A może utrudniło pracę na pewnym etapie?

Swoboda wymiany doświadczeń, uczenie się nowych rzeczy, są niezwykle istotne w nauce. My bardzo sobie cenimy możliwość współpracy z zespołami i w Polsce i za granicą. Współprace są znakomite, ale każdy zespół badawczy ma swoje priorytety. Jeśli one są zbieżne z priorytetami innego zespołu, to praca naukowa jest obiecująca i przynosi swoje rezultaty, ale jeśli te priorytety w pewnym momencie się rozjeżdżają, to spowalnia prowadzenie badań. Dobrze jest móc pewne badania prowadzić samodzielnie, bo to zapewnia odpowiednią szybkość uzyskiwania rezultatów.

Czy uznanie międzynarodowe, które stało się Państwa udziałem, przekłada się na większe możliwości waszego zespołu?

Oczywiście o naukowcu głównie świadczą prace, które opublikował. We wszystkich systemach finansowania nauki jest pewien element oceny związany z dorobkiem naukowym aplikującego badacza. W przypadku gdy naukowiec nie ma znaczącego dorobku, nawet jeśli jego aplikacja wydaje się bardzo interesująca, dla recenzujących granty jest on mało wiarygodny. Dlatego potrzebujemy uwiarygadniać się przez publikacje. Oczywiście, publikacje w renomowanych czasopismach zwiększają szanse na finansowanie badań, uwiarygadniają nas jako partnera.

Czasem jednak w środowisku naukowym słychać głosy, że same publikacje nie wystarczą, bo polskie afiliacje nie są na tyle silne, by sprzyjać osiąganiu sukcesów na polu międzynarodowym.

Być może z afiliacją w Polsce jest trochę trudniej publikować w tych najlepszych czasopismach, ale jeśli nasze badania będą wystarczająco dobre, to się w końcu udaje. Jeśli chodzi o nasze doświadczenia, my również – w przypadku czasopism, w które chcieliśmy celować – zaczynaliśmy z niższego poziomu. Robiąc jednak postępy, krok po kroku, udało nam się w końcu zacząć publikować prace w czasopismach chemicznych uznawanych za najlepsze. Nie za każdym razem to się udaje, nie za każdym razem próbujemy. Nawet nam nie wszystkie nasze badania wydają się tak dobre, żeby próbować. Oczywiście, na pewno badaczom z tych najlepszych ośrodków naukowych w USA czy Niemczech jest łatwiej.

A jak wysoko mierzycie z publikacją, którą teraz przygotowujecie?

Zawsze mierzymy bardzo wysoko, ale dopóki badania nie są skończone, nie jestem w stanie odpowiedzieć jednoznacznie. Jeśli uda nam się wyjaśnić, dlaczego widzimy taką poprawę właściwości mRNA, to będziemy próbować najwyżej, jak tylko możliwe.

Co jest najtrudniejsze w pracy nad terapeutycznym mRNA?

Pewną trudnością, którą wydaje mi się, że udało nam się pokonać, jest potrzeba budowania zespołu, który ma odpowiednie i różnorodne kompetencje. Musimy skupić w danym projekcie ludzi, którzy są specjalistami z chemii nukleotydów, ludzi, którzy potrafią syntetyzować RNA, badać oddziaływanie RNA z białkami, testować właściwość tego RNA w komórkach. Potrzeba ludzi kompetentnych o różnorodnych umiejętnościach. Druga rzecz to oczywiście zapewnienie odpowiedniej infrastruktury badawczej i warunków, żeby projekt zrealizować. Badania na pograniczu chemii i biologii są bardzo kosztowne. Obecnie środki na badania zdobywa się wyłącznie w otwartych konkursach grantowych. Od powodzenia takiej aplikacji zależy, czy będziemy dany projekt realizować. Oprócz tego, w miejscu, w którym obecnie się znajdujemy [przyp. red. Centrum Nowych Technologii UW], zespół jest utrzymywany w znakomitej większości ze środków zdobytych w takich otwartych konkursach. Gdyby nie udało się utrzymać płynności finansowej, okazałoby się, że tracimy ludzi obdarzonych szczególnymi kompetencjami. Na razie próbujemy startować w konkursach i to się udaje, ale pewnie kiedyś przyjdzie taki moment, kiedy się nie uda. Wtedy będę musiał znaleźć odpowiedź na pytanie, jak to zrobić, żeby tych ludzi utrzymać?

Praca naukowca to nie jest łatwy zawód do uprawiania. To praca, która w zasadzie mogłaby nigdy się nie kończyć i jest też bardzo stresującą. Z jednej strony musimy starać się o wnioski w otwartych konkursach, realizujemy badania, potem wysyłamy publikacje do wymarzonego czasopisma i przychodzi odpowiedź: „Świetnie, ale nie jesteśmy zainteresowani”. Wysyłamy więc materiał do kolejnego, a tam już na poziomie edytora dostajemy informację, że nie ma zainteresowania. Kiedy mamy szczęście, edytor wysyła publikację do recenzenta. W przypadku pracy w „Nucleic Acids Research” dostaliśmy tam takie recenzje, jakich chyba nigdy w życiu nie dostałem. Wszyscy czterej recenzenci byli zachwyceni tą pracą, ale czasem recenzenci potrafią być bardzo krytyczni. Czasem to jest pouczające i krytyka jest konstruktywna, a czasem nie zgadzamy się z tą opinią.

Zapewne każdy naukowiec dąży do tego, żeby efekty jego pracy przekładały się na coś bardzo konkretnego, miały jakiś wyższy cel naukowy lub społeczny. Czy zaczynając pracę nad mRNA, myślał Pan o jakimś szczególnym rozwiązaniu, pomyśle na wykorzystanie go w konkretnej dziedzinie terapeutycznej?

Ja przede wszystkim wierzę, że mRNA daje olbrzymi potencjał w leczeniu chorób, które przy użyciu tradycyjnych leków są bardzo trudne, a czasem wręcz niemożliwe do wyleczenia. To piękno wykorzystania mRNA jako terapeutyku polega m.in. na tym, że otrzymywanie go odbywa się zawsze w ten sam sposób. Kiedy już wiemy, jaką modyfikację zastosować w strukturze kapu, to zmieniamy wyłącznie tę część, która koduje białko, czyli sekwencję RNA w części kodującej. Możemy dzięki temu – korzystając z tej samej metody – uzyskiwać niemal dowolne terapeutyczne białko. To niezwykle istotne, bo możemy wtedy bardzo szybko reagować. Możemy zmieniać sekwencję, jeśli dana sekwencja nie działa. Możemy szybko zaproponować terapeutyk do testów. Epidemia koronawirusa jest doskonałym przykładem na to, że czasem istnieje pilna potrzeba, żeby przeprowadzić badania kliniczne. Jeśli mamy gotowe RNA, to wystarczy odpowiednio zaprogramować część kodującą białko i już można to testować w badaniach klinicznych. Bardzo wierzę w to, że RNA jest przyszłością w wielu dziedzinach medycyny. Byłoby fantastycznie, gdybyśmy my, naszymi badaniami, chociaż w niewielki sposób mogli przybliżyć wykorzystanie mRNA w leczeniu chorób, które tradycyjnymi metodami są niemożliwe do wyleczenia.

Natomiast ja zainteresowałem się tymi terapeutycznymi aspektami mRNA, kiedy moja córka zachorowała na białaczkę. To była silna motywacja, aby – mimo różnych przeciwności, które były bardzo zniechęcające do tego, żeby się tym zajmować – jednak to robić. Bo widziałem, jak wygląda leczenie dzieci onkologicznych i jak olbrzymia jest potrzeba, żeby opracowywać nowe metody terapeutyczne.

Jakie inne projekty realizuje obecnie Pana zespół?

Nasza specjalizacja to modyfikowane nukleotydy. One odgrywają bardzo wiele funkcji biologicznych. Takie naturalne nukleotydy są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania enzymów, które napędzają reakcje chemiczne zachodzące w naszych organizmach. One są niezbędne do komunikacji wewnątrz komórek i między komórkami. Są składnikami kwasów nukleinowych. Są też walutą w naszych komórkach, która daje energię, napędza procesy biochemiczne, jak cząsteczka ATP, która jest wykorzystywana do zasilania w energię procesów biochemicznych. Staramy się projektować nukleotydy zmodyfikowane, które będą miały poprawione właściwości biologiczne, czy to z myślą o badaniach procesów biologicznych, żeby zrozumieć, jak pewne procesy biochemiczne przebiegają, czy z myślą o tym, żeby te procesy poprawiać.

Czego życzyć Państwu na nadchodzące miesiące?

Mówiąc krótko – ciekawych projektów, pieniędzy na ich realizację i dobrych efektów tych projektów – publikacji, być może wynalazków, które znajdą zastosowanie w różnych aspektach terapeutycznych.

--

Dr hab. Jacek Jemielity (1973 r.) – doktor habilitowany nauk chemicznych. Specjalizuje się w chemii organicznej, bioorganicznej i biochemii. Od 2013 r. profesor nadzwyczajny Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. W ramach Centrum Nowych Technologii na Wydziale Fizyki UW prowadzi grupę badawczą (Jemielity Group) skupioną na takich kwestiach jak: synteza chemiczna, własności i zastosowania modyfikowanych nukleotydów oraz kwasy nukleinowe. Zespół ma znaczące osiągnięcia w badaniach nad terapeutycznym mRNA. Współautor 103 publikacji naukowych, które ukazały się m.in. w „RNA”, „Gene therapy”, „Molecular cell”, „Journal of the American Chemical Society” oraz „Nucleic Acids Research”. Laureat Nagrody Gospodarczej Prezydenta RP w kategorii Badania + Rozwój (2017 r.), w 2018 r. wraz ze współpracującym zespołem naukowców był nominowany w konkursie European Inventor Award w kategorii „Badania”. Jego wynalazki dotyczące terapeutycznego mRNA są obecnie stosowane w kilkunastu badaniach klinicznych dotyczących nowatorskich terapii immunoonkologicznych.