تواصل معنا

البحث الرأسي أفلاطون

التكنولوجيا الحيوية

في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تصف فرانسيس أرنولد الحائزة على جائزة نوبل الابتكار عن طريق التطور

"بصفتنا مهندسين ، نريد إنشاء أشياء لا توجد بالضرورة على هذا الكوكب ، أو ربما لم تكن موجودة على الإطلاق ، ولكنها تحل مشكلات حقيقية" ، فرانسيس أرنولد في محاضرة Hoyt C. Hottel في الهندسة الكيميائية في 2021 أكتوبر 1.

من خلال تسخير عملية التطور لتحسين وإنشاء الإنزيمات ، أطلق أرنولد ، أستاذ بولينج في الهندسة الكيميائية والهندسة الحيوية والكيمياء الحيوية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، مجالًا للهندسة مع تطبيقات في الطاقة البديلة والطب والصناعات المتنوعة. حازت أبحاثها على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2018 ، وكذلك جائزة تشارلز ستارك درابر من الأكاديمية الوطنية الأمريكية للهندسة (2011) ، والميدالية الوطنية الأمريكية للتكنولوجيا والابتكار (2011) ، وجائزة الألفية للتكنولوجيا (2016) .

أشارت أرنولد في البداية إلى أن عرض Hottel الذي قدمته كان المرة الأولى التي تحدثت فيها إلى جمهور مباشر منذ 18 شهرًا - وهو سبب للاحتفال. في الحديث ، "جلب كيمياء جديدة إلى الحياة" ، روت أرنولد قصة سعيها الدؤوب لمواجهة التحديات العالمية الملحة عن طريق تحسين الإنزيمات - البروتينات التي تحفز التفاعلات الكيميائية في علم الأحياء وفي مجموعة واسعة من المنتجات والعمليات المصنعة. وصفت روايتها الجهود التي بذلتها على مدار عقود من أجل "التأليف" باستخدام الحمض النووي ، على حد تعبيرها ، باستخدام أدوات الطبيعة لتوليد الإنزيمات "التي تعمل بشكل أفضل مما توفره الطبيعة".

أقيمت المحاضرة برعاية قسم الهندسة الكيميائية ، وقدمتها رئيسة القسم والأستاذة في المعهد بولا ت. هاموند.

احتمالات غير مفهومة

كان أرنولد في طليعة العلماء في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، وكان حريصًا على الاستفادة من أحدث الابتكارات في علم الوراثة. اكتشف الباحثون كيفية تشفير الحمض النووي للبروتينات ، وكيفية تعديل الحمض النووي. ولكن في عصر ما قبل الحوسبة عالية الإنتاجية وقواعد البيانات الضخمة لفهرسة البروتينات ، لا يمكن لأي مختبر أن يتلاعب بالتسلسلات الجينية لاختيار الخصائص المرغوبة على نطاق زمني واقعي. قال أرنولد: "بروتين صغير نموذجي 1980 حمض أميني طويل مع 300 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة - مساحة التسلسلات الممكنة أكبر من أي شيء يمكنك فهمه".

قالت أرنولد إن التحدي الذي واجه العلماء في ذلك الوقت ذكرها بالقصة القصيرة لخورخي لويس بورخيس عام 1941 ، "مكتبة بابل". في هذه المجموعة الهائلة من الكتب ، يكون الترتيب والمحتوى عشوائيًا تمامًا ، "ويأس المكتبيون من العثور على كتاب له جملة ذات مغزى ، ناهيك عن عمل أدبي" ، على حد قولها. "لذلك أنا هنا ، أستاذ مساعد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، في هذه المكتبة التي تحتوي على جميع البروتينات الممكنة ، ولا بد لي من العثور على" موبي ديك. "

للهروب من هذا المستنقع ، استوحى أرنولد الإلهام من عالم الأحياء البريطاني جون ماينارد سميث ، الذي وضع آلية عمل الانتقاء الطبيعي في الجزيئات. يمكن أن تؤدي الطفرات التي تظهر بشكل روتيني في تسلسل الحمض النووي إما إلى فشل البروتين ونهاية الخط ، أو إلى متغير بروتين مناسب يمكن أن يولد ويمكن أن يولد الأجيال القادمة. قال أرنولد: "كانت هذه فكرة قوية بالنسبة لي". "إذا كنت من مُولِّد الجزيئات ، فأنا أقرر من هو المناسب للانتقال إلى الجيل التالي." كانت هذه هي الشرارة وراء تطور الإنزيم الموجه - العملية التي طورها أرنولد لهندسة محفزات أفضل.

الإعلانات. مرر لمواصلة القراءة.

إنزيمات التكاثر الانتقائي

لتحقيق رؤيتها ، أنشأت أرنولد مصنعًا في مختبرها مسترشدًا بمنهجية صارمة. أخذت عينات من الإنزيمات المهمة ، وحددت تسلسل الحمض النووي الذي يمكن أن يؤدي إلى وظائف محسنة. ثم أحدثت طفرات في هذه التسلسلات ، وباستخدام البكتيريا المضيفة ، خلقت إنزيمات ستقوم بتقييم خصائصها. كررت أرنولد هذه العملية مرارًا وتكرارًا حتى وصلت إلى إنزيم بالخصائص التي سعت إليها.

كانت نتيجة سنواتها الأولى في متابعة تطور الإنزيم الموجه سلالة جديدة من السبتليزين ، وهو إنزيم يمكن العثور عليه في الأوساخ. ("أربعة مليارات سنة من الانتقاء الطبيعي أعطتنا بروتينات يمكنك كشطها من قاع حذائك" ، لاحظ أرنولد). يمكن أن يعمل السبيتيليزين الهندسي في مذيب قاسي ، وهي خاصية تجعله مفيدًا للغاية للتطبيقات الكيميائية. حقق هذا الإصدار أيضًا هدفًا شاملاً لبحوث أرنولد: صنع إنزيمات ذات أساس بيولوجي لتحل محل تلك التي تم تصنيعها من قبل الكيميائيين ، والتي غالبًا ما تتضمن مواد مدمرة بيئيًا.

"لقد كانت بسيطة ، هندسة جيدة ، عملية حسابية أدت إلى منتجات مثل إنزيمات مسحوق الغسيل ، وحصلت على أكبر وسام في حياتي ، وظهوري في مجموعة" The Big Bang Theory "في عام 2017."

محاكاة الطبيعة

أطلق تطور الإنزيم الموجه العنان لفيضان من النشاط على الإنزيمات المحسنة والمعاد استخدامها من مختبر أرنولد ، وكذلك من المختبرات في جميع أنحاء العالم. أصبح التحفيز الحيوي صناعة تحويلية ، مع انتشار الإنزيمات القائمة على أساس بيولوجي لإقناع تكوين الروابط الكيميائية في الجزيئات التي تحتوي على عناصر مثل الهالوجين أو الفلور أو الكلور. في عام 2016 ، صمم مختبر أرنولد إنزيمًا يحفز عادةً التفاعلات البيولوجية المهمة في الكائنات الحية لتشكيل رابطة بين الكربون والسيليكون. لقد كانت الأولى. قال أرنولد: "يمكننا برمجة البكتيريا لإنتاج هذه الروابط مع متحولة تؤدي المهمة 50 مرة أفضل من أفضل كيميائي بشري ... وبدون الدمار البيئي".

هناك طلب كبير على الجزيئات المبنية حول هذه الروابط الكيميائية في الصناعات الدوائية والزراعية وأشباه الموصلات والطاقة المتجددة. لتلبية الحاجة ، تعتمد الكيمياء التركيبية التقليدية على المواد الخطرة ، وظروف التصنيع القاسية والمكلفة في كثير من الأحيان. تعتقد أرنولد أن أساليبها تقدم بديلاً صديقًا للبيئة وأقل تكلفة.

قالت ، من خلال محاكاة الطبيعة "والعملية القوية التي أدت إلى نشوء كل أشكال الحياة" ، "يمكننا استخدام موارد متجددة وفيرة لصنع كل ما نريده". أشاد أرنولد بالطلاب في الحضور قائلاً: "إنه لأمر رائع أن تعمل معهم. تعال بأفكار رائعة! " في الختام ، قالت ، "إذا استطعنا تعلم كيفية استخدام هذه العملية ، فيمكننا التكيف والتطور والابتكار جنبًا إلى جنب مع كوكبنا الجميل."

Hoyt C. Hottel كعضو هيئة تدريس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من عام 1928 إلى عام 1968. تم إنشاء Hoyt C. . تهدف هذه المنحة إلى جذب العلماء البارزين إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لتحفيز الأجيال القادمة من الطلاب. استؤنفت المحاضرة هذا العام بعد توقف مؤقت في عام 1985 أثناء وباء Covid-2020.

الإعلانات. مرر لمواصلة القراءة.

أفلاطون. Web3 مُعاد تصوره. تضخيم ذكاء البيانات.
انقر هنا للوصول.

المصدر: https://news.mit.edu/2021/innovation-evolution-frances-arnold-1022

إعلان

التيارات ذات الصلة

كتلة سلسلة

ينمو سوق العملات الرقمية بمعدل استثنائي. في الواقع ، تتنافس العديد من البلدان على الصدارة من حيث التبني. كما هي...

كتلة سلسلة

تمضي شركة CODI Finance في خططها الخاصة بـ IEO بعد إنهاء بيعها الخاص. انطلقت شركة CODI Finance في سبتمبر 2021 وأعلنت عن خططها لـ ...

كتلة سلسلة

والدة جميع بيرنز هنا .. سيتم حرق 50,000,000 دولار من رموز DFYN… رمز Dfyn ($ DFYN) يخضع لاسترداد كمية 20٪ عبر الكل ...

كتلة سلسلة

يجب على المستثمرين على المدى القصير أن ينظروا بعيدًا في الوقت الحالي. أو انظر عن كثب ، اعتمادًا على شهية المرء للخوف. سجلت Bitcoin و Ethereum أكبر ساعة لهما ...