"Insinööreinä haluamme luoda asioita, joita ei välttämättä ole planeetalla tai joita ei ehkä ole koskaan ollut olemassa, mutta jotka ratkaisevat todellisia ongelmia", sanoi Frances H. Arnold vuoden 2021 Hoyt C. Hottel -luennossa kemiantekniikassa 1. lokakuuta.
Hyödyntämällä evoluutioprosessia optimoidakseen ja luodakseen entsyymejä, Arnold, Paulingin kemiantekniikan, biotekniikan ja biokemian professori Caltechissa, käynnisti tekniikan alan, jolla on sovelluksia vaihtoehtoisessa energiassa, lääketieteessä ja monilla eri aloilla. Hänen tutkimuksensa ansaitsi hänelle vuoden 2018 Nobelin kemian palkinnon sekä Yhdysvaltain kansallisen tekniikan akatemian Charles Stark Draper -palkinnon (2011), Yhdysvaltain kansallisen teknologia- ja innovaatiomitalin (2011) ja Millennium Technology Prize -palkinnon (2016). .
Arnold totesi alussa, että hänen Hottel-esityksensä oli ensimmäinen kerta, kun hän puhui live-yleisölle 18 kuukauteen - aihetta juhliin. Puheessa "Uuden kemian herättäminen henkiin" Arnold kertoi tarinansa armottomasta pyrkimystään vastata kiireellisiin globaaleihin haasteisiin parempien entsyymien avulla – proteiinien avulla, jotka katalysoivat kemiallisia reaktioita biologiassa ja laajassa valikoimassa valmistettuja tuotteita ja prosesseja. Hänen kertomuksensa kuvasi hänen vuosikymmeniä kestänyt ponnisteluaan "säveltää" DNA:lla käyttämällä luonnon työkaluja tuottamaan entsyymejä, "jotka toimivat paremmin kuin mitä luonto on tarjonnut".
Luennon sponsoroi kemian tekniikan laitos, ja sen esitteli laitoksen johtaja ja instituutin professori Paula T. Hammond.
Käsittämättömiä mahdollisuuksia
Arnold oli 1980-luvun lopulla tiedemiesten etujoukossa, joka halusi hyödyntää uusimpia genetiikan innovaatioita. Tutkijat olivat selvittäneet, kuinka DNA koodaa proteiineja ja miten DNA:ta muokataan. Mutta aikakaudella ennen suuren suorituskyvyn tietojenkäsittelyä ja massiivisia tietokantoja proteiinien luetteloimiseksi mikään laboratorio ei voinut manipuloida geneettisiä sekvenssejä valitakseen halutut ominaisuudet realistisella aikataululla. "Tyypillinen pieni 300 aminohapon pituinen proteiini, jossa on 20 erilaista aminohappoa - se mahdollisten sekvenssien tila on suurempi kuin mikään, mitä voit ymmärtää", Arnold sanoi.
Tuolloin tutkijoiden kohtaama haaste, Arnold sanoi, muistutti häntä Jorge Luis Borgesin vuoden 1941 novellista "Baabelin kirjasto". Tässä valtavassa kirjakokoelmassa järjestys ja sisältö ovat täysin satunnaisia, ja "kirjastonhoitajat epätoivoisesti löytävät koskaan kirjan, jossa on merkityksellinen lause, saati vähemmän kirjallisuusteoksen", hän sanoi. "Joten tässä olen, Caltechin apulaisprofessori, tässä kaikkien mahdollisten proteiinien kirjastossa, ja minun on löydettävä "Moby Dick".
Paetakseen tätä suota Arnold sai inspiraation brittiläiseltä biologilta John Maynard Smithiltä, joka esitteli molekyylien luonnollisen valinnan toiminnan. DNA -sekvensseihin rutiininomaisesti ilmestyvät mutaatiot voivat joko johtaa proteiinin epäonnistumiseen ja rivin loppuun tai sovitettavampaan proteiinivarianttiin, joka selviää ja voi synnyttää tulevia sukupolvia. "Tämä oli voimakas idea minulle", Arnold sanoi. "Jos olen molekyylien kasvattaja, päätän, kuka sopii seuraavaan sukupolveen." Tämä oli kipinä suunnatun entsyymikehityksen takana - Arnoldin kehittämä prosessi parempien katalyyttien suunnittelua varten.
Selektiivisesti jalostavat entsyymit
Toteuttaakseen visionsa Arnold loi laboratorioonsa tehtaan, jota ohjasivat tiukat menetelmät. Hän otti näytteitä kiinnostavista entsyymeistä ja tunnisti DNA -sekvenssit, jotka voisivat johtaa tehostuneisiin toimintoihin. Sitten hän loi mutaatioita näihin sekvensseihin ja loi isäntäbakteerien avulla entsyymejä, joiden ominaisuuksia hän arvioi. Arnold toisti tätä prosessia uudestaan ja uudestaan, kunnes hän päätyi entsyymiin, jolla oli etsimästään ominaisuudet.
Tuloksena hänen ensimmäisistä vuosistaan, kun hän harjoitti suunnattua entsyymien kehitystä, oli uusi rotu subtilisiinia, entsyymiä, joka löytyy liasta. ("Neljän miljardin vuoden luonnollinen valinta on antanut meille proteiineja, joita voit raaputtaa kengän pohjasta", Arnold huomautti.) Muokattu subtilisiini voisi toimia ankarassa liuottimessa, mikä teki siitä erittäin hyödyllisen kemiallisissa sovelluksissa. Tämä versio täytti myös Arnoldin tutkimuksen yleistavoitteen: biologisesti perustuvien entsyymien valmistaminen korvaamaan kemistien syntetisoimat entsyymit, jotka usein sisältävät ympäristöä tuhoavia materiaaleja.
"Se oli yksinkertainen, hyvä suunnittelu, algoritminen prosessi, joka johti tuotteisiin, kuten pyykinpesuaineentsyymeihin, ja toi minulle elämäni suurimman tunnustuksen ja esiintymisen "The Big Bang Theory" -elokuvassa vuonna 2017.
Luonnon jäljittely
Suunnattu entsyymien kehitys vapautti toiminnan tulvan optimoiduille ja uudelleenkäytetyille entsyymeille Arnoldin laboratoriosta sekä laboratorioista ympäri maailmaa. Biokatalyysistä on tulossa transformatiivinen teollisuus, jossa lisääntyy biologisesti pohjautuvia entsyymejä, jotka houkuttelevat kemiallisten sidosten muodostumista molekyyleissä, jotka sisältävät sellaisia alkuaineita kuin halogeeni, fluori tai kloori. Vuonna 2016 Arnoldin laboratorio suunnitteli entsyymin, joka normaalisti katalysoi tärkeitä biologisia reaktioita elävissä olennoissa hiili-pii-sidoksen muodostamiseksi. Se oli ensimmäinen. "Voimme ohjelmoida bakteerit tuottamaan näitä sidoksia mutantilla, joka tekee työnsä 50 kertaa paremmin kuin paras ihmiskemisti… ja ilman ympäristötuhoa", Arnold sanoi.
Tällaisten kemiallisten sidosten ympärille rakennetuilla molekyyleillä on suuri kysyntä lääke-, maatalous-, puolijohde- ja uusiutuvan energian aloilla. Tarpeen tyydyttämiseksi tavanomainen synteettinen kemia perustuu vaarallisiin materiaaleihin, ankariin ja usein kalliisiin valmistusolosuhteisiin. Arnold uskoo, että hänen menetelmänsä tarjoavat ympäristöystävällisemmän ja halvemman vaihtoehdon.
Jäljittelemällä luontoa "ja voimakasta prosessia, joka on synnyttänyt kaiken elämän", hän sanoi, "voimme käyttää runsaasti uusiutuvia resursseja tehdäksemme kaiken mitä haluamme." Arnold ylisti oppilaita yleisössä: ”On hienoa työskennellä. tule mukaan upeiden ideoiden kanssa!” Lopuksi hän sanoi: "Jos voimme oppia käyttämään tätä prosessia, voimme mukautua, kehittyä ja innovoida yhdessä kauniin planeettamme kanssa."
Hoyt C. Hottel toimi MIT:n tiedekunnan jäsenenä vuosina 1928–1968. Hoyt C. Hottel Lectureship perustettiin vuonna 1985 tunnustuksena hänen panoksestaan kemiantekniikan laitokselle ja sen opiskelijoille sekä Fuels Research Laboratoryn perustamiseen ja johtamiseen. . Luennoitsijan on tarkoitus houkutella arvostettuja tutkijoita MIT:ään kannustamaan tulevia opiskelijasukupolvia. Luentokurssi jatkui tänä vuonna tauon jälkeen vuonna 2020 Covid-19-pandemian aikana.
PlatoAi. Web3 kuvasi uudelleen. Data Intelligence Amplified.
Napsauta tätä päästäksesi.
Lähde: https://news.mit.edu/2021/innovation-evolution-frances-arnold-1022
