"Como ingenieros, queremos crear cosas que no necesariamente existan en el planeta, o que nunca hayan existido, pero que resuelvan problemas reales", dijo. Frances H.Arnold en la Conferencia Hoyt C. Hottel de Ingeniería Química de 2021 el 1 de octubre.

Aprovechando el proceso de evolución para optimizar y crear enzimas, Arnold, profesor Pauling de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica en Caltech, lanzó un campo de ingeniería con aplicaciones en energías alternativas, medicina y diversas industrias. Su investigación le valió el Premio Nobel de Química 2018, así como el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería de EE. UU. (2011), la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación de EE. UU. (2011) y el Premio de Tecnología del Milenio (2016). .

Su presentación de Hottel, señaló Arnold al principio, fue la primera vez que habló ante una audiencia en vivo en 18 meses, un motivo de celebración. En la charla, "Dar vida a la nueva química", Arnold relató la historia de su incansable búsqueda para abordar los desafíos globales urgentes mediante mejores enzimas: las proteínas que catalizan reacciones químicas en biología y en una amplia gama de productos y procesos manufacturados. Su narrativa describe su esfuerzo de décadas para, en sus palabras, "componer" con ADN, utilizando las herramientas de la naturaleza para generar enzimas "que funcionan mejor que lo que la naturaleza ha proporcionado".

La conferencia fue patrocinada por el Departamento de Ingeniería Química y fue presentada por la jefa de departamento y profesora del Instituto Paula T. Hammond.

Posibilidades incomprensibles

Arnold estaba a la vanguardia de los científicos a fines de la década de 1980, ansioso por aprovechar las últimas innovaciones en genética. Los investigadores habían descubierto cómo el ADN codifica las proteínas y cómo editarlo. Pero en una era antes de la computación de alto rendimiento y las bases de datos masivas para catalogar proteínas, ningún laboratorio podía manipular secuencias genéticas para seleccionar las propiedades deseadas en una escala de tiempo realista. "Una proteína pequeña típica de 300 aminoácidos de longitud con 20 aminoácidos diferentes, ese espacio de posibles secuencias es más grande que cualquier cosa que puedas comprender", dijo Arnold.

El desafío al que se enfrentaban los científicos en ese momento, dijo Arnold, le recordó el cuento de Jorge Luis Borges de 1941, "La biblioteca de Babel". En esta enorme colección de libros, el orden y el contenido son completamente aleatorios y “los bibliotecarios desesperan de encontrar un libro que tenga una oración significativa, y mucho menos una obra literaria”, dijo. "Así que aquí estoy, profesor asistente en Caltech, en esta biblioteca de todas las proteínas posibles, y tengo que encontrar 'Moby Dick'".

Para escapar de este atolladero, Arnold se inspiró en el biólogo británico John Maynard Smith, quien expuso el funcionamiento de la selección natural en las moléculas. Las mutaciones que aparecen de forma rutinaria en las secuencias de ADN pueden provocar una falla de la proteína y el final de la línea, o una variante de proteína más en forma que sobrevive y puede engendrar generaciones futuras. "Esta fue una idea poderosa para mí", dijo Arnold. "Si soy el criador de moléculas, decido quién es apto para pasar a la siguiente generación". Esta fue la chispa detrás de la evolución enzimática dirigida, el proceso desarrollado por Arnold para diseñar mejores catalizadores.

Mejora selectiva de enzimas

Para hacer realidad su visión, Arnold creó una fábrica en su laboratorio guiada por una metodología rigurosa. Tomó muestras de enzimas de interés e identificó secuencias de ADN que podrían conducir a funciones mejoradas. Luego generó mutaciones en estas secuencias y, utilizando bacterias huésped, creó enzimas cuyas propiedades evaluaría. Arnold repitió este proceso una y otra vez hasta que llegó a una enzima con las propiedades que buscaba.

El resultado de sus primeros años de búsqueda de la evolución enzimática dirigida fue una nueva clase de subtilisina, una enzima que se puede encontrar en la suciedad. (“Cuatro mil millones de años de selección natural nos han dado proteínas que puedes raspar de la suela de tu zapato”, señaló Arnold.) La subtilisina diseñada podría funcionar en un solvente fuerte, una propiedad que la hizo extremadamente útil para aplicaciones químicas. Esta versión también satisfizo un objetivo general de la investigación de Arnold: producir enzimas de base biológica para reemplazar las sintetizadas por los químicos, que a menudo involucran materiales destructivos para el medio ambiente.

"Fue simple, una buena ingeniería, un proceso algorítmico que condujo a productos como enzimas detergentes para ropa, y me dio el mayor galardón de mi vida, y una aparición en el set de 'The Big Bang Theory' en 2017".

Emulando la naturaleza

La evolución enzimática dirigida desató una gran cantidad de actividad en enzimas optimizadas y reutilizadas del laboratorio de Arnold, así como de laboratorios de todo el mundo. La biocatálisis se está convirtiendo en una industria transformadora, con la proliferación de enzimas de base biológica para inducir la formación de enlaces químicos en moléculas que contienen elementos tales como halógeno, flúor o cloro. En 2016, el laboratorio de Arnold diseñó una enzima que normalmente cataliza reacciones biológicas importantes en los seres vivos para forjar un enlace carbono-silicio. Fue la primera vez. "Podemos programar bacterias para producir estos enlaces con un mutante que hace el trabajo 50 veces mejor que el mejor químico humano ... y sin la devastación ambiental", dijo Arnold.

Las moléculas construidas alrededor de estos enlaces químicos tienen una gran demanda en las industrias farmacéutica, agrícola, de semiconductores y de energía renovable. Para satisfacer la necesidad, la química sintética convencional se basa en materiales peligrosos y en condiciones de fabricación duras y, a menudo, costosas. Arnold cree que sus métodos ofrecen una alternativa más amigable con el medio ambiente y menos costosa.

Al emular la naturaleza "y el poderoso proceso que ha dado lugar a toda la vida", dijo, "podemos utilizar abundantes recursos renovables para hacer todo lo que queramos". Arnold saludó a los estudiantes del público: “Es maravilloso trabajar con ellos; ven con ideas fabulosas! " Para terminar, dijo: "Si podemos aprender a usar este proceso, podemos adaptarnos, evolucionar e innovar en conjunto con nuestro hermoso planeta".

Hoyt C. Hottel se desempeñó como miembro de la facultad del MIT de 1928 a 1968. La Cátedra Hoyt C. Hottel se estableció en 1985 para reconocer sus contribuciones al Departamento de Ingeniería Química y sus estudiantes, y al establecimiento y dirección del Laboratorio de Investigación de Combustibles. . La cátedra tiene como objetivo atraer a académicos eminentes al MIT para estimular a las generaciones futuras de estudiantes. La cátedra se reanudó este año después de una pausa en 2020 durante la pandemia de Covid-19.

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