«Ως μηχανικοί, θέλουμε να δημιουργήσουμε πράγματα που δεν υπάρχουν απαραίτητα στον πλανήτη ή μπορεί να μην υπήρχαν ποτέ, αλλά που λύνουν πραγματικά προβλήματα», είπε. Φράνσις Χ. Άρνολντ στη διάλεξη 2021 Hoyt C. Hottel στη Χημική Μηχανική την 1η Οκτωβρίου.
Αξιοποιώντας τη διαδικασία της εξέλιξης για τη βελτιστοποίηση και τη δημιουργία ενζύμων, ο Arnold, ο Pauling Καθηγητής Χημικής Μηχανικής, Βιομηχανικής και Βιοχημείας στο Caltech, ξεκίνησε έναν τομέα μηχανικής με εφαρμογές στην εναλλακτική ενέργεια, την ιατρική και διάφορες βιομηχανίες. Η έρευνά της της χάρισε το Νόμπελ Χημείας 2018, καθώς και το Βραβείο Charles Stark Draper της Εθνικής Ακαδημίας Μηχανικής των ΗΠΑ (2011), το Εθνικό Μετάλλιο Τεχνολογίας και Καινοτομίας των ΗΠΑ (2011) και το Βραβείο Τεχνολογίας της Χιλιετίας (2016) .
Η παρουσίασή της στο Hottel, σημείωσε ο Arnold στην αρχή, ήταν η πρώτη φορά που μίλησε σε ζωντανό κοινό εδώ και 18 μήνες - μια αιτία γιορτής. Στην ομιλία, «Bringing New Chemistry to Life», η Arnold εξιστόρησε την ιστορία της αδυσώπητης προσπάθειάς της να αντιμετωπίσει τις επείγουσες παγκόσμιες προκλήσεις μέσω καλύτερων ενζύμων - των πρωτεϊνών που καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις στη βιολογία και σε μια τεράστια γκάμα κατασκευασμένων προϊόντων και διαδικασιών. Η αφήγησή της περιέγραψε την επί δεκαετίες προσπάθειά της να, σύμφωνα με τα λόγια της, να «συνθέσει» με DNA, χρησιμοποιώντας τα εργαλεία της φύσης για να δημιουργήσει ένζυμα «που λειτουργούν καλύτερα από ό,τι έχει δώσει η φύση».
Η διάλεξη χρηματοδοτήθηκε από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών και παρουσιάστηκε από την επικεφαλής του τμήματος και την καθηγήτρια του Ινστιτούτου Paula T. Hammond.
Ακατανόητες πιθανότητες
Ο Arnold ήταν στην πρωτοπορία των επιστημόνων στα τέλη της δεκαετίας του 1980, πρόθυμοι να αξιοποιήσουν τις τελευταίες καινοτομίες στη γενετική. Οι ερευνητές είχαν καταλάβει πώς το DNA κωδικοποιεί τις πρωτεΐνες και πώς να επεξεργάζεται το DNA. Αλλά σε μια εποχή πριν από τους υπολογιστές υψηλής απόδοσης και τις τεράστιες βάσεις δεδομένων για την καταλογογράφηση πρωτεϊνών, κανένα εργαστήριο δεν μπορούσε να χειριστεί τις γενετικές αλληλουχίες για να επιλέξει τις επιθυμητές ιδιότητες σε ρεαλιστική χρονική κλίμακα. "Μια τυπική μικρή πρωτεΐνη μήκους 300 αμινοξέων με 20 διαφορετικά αμινοξέα - αυτός ο χώρος των πιθανών αλληλουχιών είναι μεγαλύτερος από οτιδήποτε μπορείτε να κατανοήσετε", είπε ο Άρνολντ.
Η πρόκληση που αντιμετώπιζαν οι επιστήμονες εκείνη την εποχή, είπε ο Άρνολντ, της θύμισε το διήγημα του Χόρχε Λουίς Μπόρχες του 1941, «Η Βιβλιοθήκη της Βαβέλ». Σε αυτή τη μαζική συλλογή βιβλίων, η σειρά και το περιεχόμενο είναι εντελώς τυχαία και «οι βιβλιοθηκονόμοι απελπίζονται να βρουν ποτέ ένα βιβλίο που να έχει μια ουσιαστική πρόταση, πολύ λιγότερο ένα λογοτεχνικό έργο», είπε. «Εδώ είμαι λοιπόν, επίκουρος καθηγητής στο Caltech, σε αυτή τη βιβλιοθήκη όλων των πιθανών πρωτεϊνών, και πρέπει να βρω τον «Moby Dick»».
Για να ξεφύγει από αυτό το τέλμα, ο Άρνολντ άντλησε έμπνευση από τον Βρετανό βιολόγο John Maynard Smith, ο οποίος εξέθεσε τη λειτουργία της φυσικής επιλογής σε μόρια. Οι μεταλλάξεις που εμφανίζονται συνήθως σε αλληλουχίες DNA μπορούν είτε να οδηγήσουν σε αποτυχία πρωτεΐνης και στο τέλος της γραμμής είτε σε μια πιο κατάλληλη παραλλαγή πρωτεΐνης που επιβιώνει και μπορεί να δημιουργήσει μελλοντικές γενιές. «Αυτή ήταν μια ισχυρή ιδέα για μένα», είπε ο Άρνολντ. «Αν είμαι ο δημιουργός μορίων, αποφασίζω ποιος είναι κατάλληλος να πάει στην επόμενη γενιά». Αυτή ήταν η σπίθα πίσω από την κατευθυνόμενη εξέλιξη του ενζύμου - η διαδικασία που αναπτύχθηκε από τον Arnold για να σχεδιάσει καλύτερους καταλύτες.
Ένζυμα εκλεκτικής αναπαραγωγής
Για να πραγματοποιήσει το όραμά της, η Άρνολντ δημιούργησε ένα εργοστάσιο στο εργαστήριό της καθοδηγούμενο από μια αυστηρή μεθοδολογία. Έλαβε δείγματα από ένζυμα ενδιαφέροντος και αναγνώρισε αλληλουχίες DNA που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε βελτιωμένες λειτουργίες. Στη συνέχεια δημιούργησε μεταλλάξεις σε αυτές τις αλληλουχίες και, χρησιμοποιώντας βακτήρια-ξενιστές, δημιούργησε ένζυμα των οποίων τις ιδιότητες θα αξιολογούσε. Η Άρνολντ επανέλαβε αυτή τη διαδικασία ξανά και ξανά μέχρι που έφτασε σε ένα ένζυμο με τις ιδιότητες που αναζητούσε.
Το αποτέλεσμα των πρώτων χρόνων που ακολουθούσε την κατευθυνόμενη εξέλιξη των ενζύμων ήταν μια νέα φυλή σουμπτιλισίνης, ένα ένζυμο που μπορεί να βρεθεί στη βρωμιά. («Τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια φυσικής επιλογής μας έχουν δώσει πρωτεΐνες που μπορείτε να ξύσετε από το κάτω μέρος του παπουτσιού σας», σημείωσε ο Arnold.) Η κατασκευασμένη σουμπτιλισίνη θα μπορούσε να λειτουργήσει σε έναν σκληρό διαλύτη, μια ιδιότητα που την έκανε εξαιρετικά χρήσιμη για χημικές εφαρμογές. Αυτή η έκδοση ικανοποιούσε επίσης έναν πρωταρχικό στόχο της έρευνας του Arnold: την παραγωγή ενζύμων βιολογικής βάσης για να αντικαταστήσουν αυτά που συνθέτουν οι χημικοί, τα οποία συχνά περιλαμβάνουν περιβαλλοντικά καταστροφικά υλικά.
«Simpleταν απλή, καλή μηχανική, μια αλγοριθμική διαδικασία που οδήγησε σε προϊόντα όπως ένζυμα απορρυπαντικών πλυντηρίων ρούχων και μου έδωσε τη μεγαλύτερη διάκριση στη ζωή μου και μια εμφάνιση στα γυρίσματα του« The Big Bang Theory »το 2017».
Μιμούμενος τη φύση
Η κατευθυνόμενη εξέλιξη των ενζύμων εξαπέλυσε μια πλημμύρα δραστηριότητας σε βελτιστοποιημένα και επαναχρησιμοποιημένα ένζυμα από το εργαστήριο του Arnold, καθώς και από εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Η βιοκατάλυση γίνεται μια μετασχηματιστική βιομηχανία, με τον πολλαπλασιασμό των βιολογικά βασισμένων ενζύμων για να ενθαρρύνουν το σχηματισμό χημικών δεσμών σε μόρια που περιέχουν στοιχεία όπως αλογόνο, φθόριο ή χλώριο. Το 2016, το εργαστήριο του Arnold σχεδίασε ένα ένζυμο που κανονικά καταλύει σημαντικές βιολογικές αντιδράσεις στα ζωντανά όντα για να σχηματίσει έναν δεσμό άνθρακα-πυριτίου. Ήταν μια πρώτη. «Μπορούμε να προγραμματίσουμε τα βακτήρια να παράγουν αυτούς τους δεσμούς με ένα μεταλλαγμένο που κάνει τη δουλειά του 50 φορές καλύτερα από τον καλύτερο ανθρώπινο χημικό… και χωρίς την καταστροφή του περιβάλλοντος», είπε ο Άρνολντ.
Τα μόρια που δημιουργούνται γύρω από τέτοιους χημικούς δεσμούς έχουν μεγάλη ζήτηση στη φαρμακευτική, τη γεωργία, τη βιομηχανία ημιαγωγών και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Για να καλύψει την ανάγκη, η συμβατική συνθετική χημεία βασίζεται σε επικίνδυνα υλικά, σε σκληρές και συχνά δαπανηρές συνθήκες κατασκευής. Η Arnold πιστεύει ότι οι μέθοδοί της προσφέρουν μια φιλική προς το περιβάλλον και λιγότερο δαπανηρή εναλλακτική λύση.
Μιμούμενοι τη φύση «και την ισχυρή διαδικασία που γεννά όλη τη ζωή», είπε, «μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε άφθονους ανανεώσιμους πόρους για να φτιάξουμε ό,τι μπορεί να θέλουμε». Ο Arnold χαιρέτισε τους μαθητές στο κοινό: «Είναι υπέροχο να δουλεύεις μαζί του. ελάτε με υπέροχες ιδέες!» Κλείνοντας, είπε: «Εάν μπορούμε να μάθουμε πώς να χρησιμοποιούμε αυτή τη διαδικασία, μπορούμε να προσαρμοστούμε, να εξελιχθούμε και να καινοτομήσουμε παράλληλα με τον όμορφο πλανήτη μας».
Ο Hoyt C. Hottel υπηρέτησε ως μέλος ΔΕΠ του MIT από το 1928 έως το 1968. Το Hoyt C. Hottel Lectureship ιδρύθηκε το 1985 για να αναγνωρίσει τη συνεισφορά του στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών και στους φοιτητές του, καθώς και στην ίδρυση και διεύθυνση του Ερευνητικού Εργαστηρίου Καυσίμων . Η διάλεξη έχει σκοπό να προσελκύσει επιφανείς μελετητές στο MIT για να τονώσει τις μελλοντικές γενιές φοιτητών. Η διάλεξη συνεχίστηκε φέτος μετά από μια παύση το 2020 κατά τη διάρκεια της πανδημίας Covid-19.
Πλάτωνας. Επανεκτίμησε το Web3. Ενισχυμένη ευφυΐα δεδομένων.
Κάντε κλικ εδώ για πρόσβαση.
Πηγή: https://news.mit.edu/2021/innovation-evolution-frances-arnold-1022
