« En tant qu'ingénieurs, nous voulons créer des choses qui n'existent pas nécessairement sur la planète, ou qui n'ont peut-être jamais existé, mais qui résolvent de vrais problèmes », a déclaré Françoise H. Arnold à la conférence Hoyt C. Hottel 2021 en génie chimique le 1er octobre.

Exploitant le processus d'évolution pour optimiser et créer des enzymes, Arnold, professeur Pauling de génie chimique, de bio-ingénierie et de biochimie à Caltech, a lancé un domaine d'ingénierie avec des applications dans les énergies alternatives, la médecine et diverses industries. Ses recherches lui ont valu le prix Nobel de chimie 2018, ainsi que le prix Charles Stark Draper de l'Académie nationale d'ingénierie des États-Unis (2011), la médaille nationale américaine de la technologie et de l'innovation (2011) et le prix du millénaire pour la technologie (2016). .

Sa présentation Hottel, a noté Arnold au début, était la première fois qu'elle s'adressait à un public en direct en 18 mois – un motif de célébration. Dans l'exposé intitulé « Bringing New Chemistry to Life », Arnold a raconté l'histoire de sa quête incessante pour relever les défis mondiaux urgents au moyen de meilleures enzymes – les protéines catalysant les réactions chimiques en biologie et dans une vaste gamme de produits et de processus manufacturés. Son récit décrivait ses efforts de plusieurs décennies pour, selon ses mots, « composer » avec l'ADN, en utilisant les outils de la nature pour générer des enzymes « qui fonctionnent mieux que ce que la nature a fourni ».

La conférence a été parrainée par le Département de génie chimique et a été introduite par le chef du département et professeur de l'Institut Paula T. Hammond.

Des possibilités incompréhensibles

Arnold était à l'avant-garde des scientifiques à la fin des années 1980 désireux de tirer parti des dernières innovations en génétique. Les chercheurs avaient compris comment l'ADN codait pour les protéines et comment éditer l'ADN. Mais à une époque précédant le calcul à haut débit et les bases de données massives pour le catalogage des protéines, aucun laboratoire ne pouvait manipuler les séquences génétiques pour sélectionner les propriétés souhaitées sur une échelle de temps réaliste. "Une petite protéine typique de 300 acides aminés de long avec 20 acides aminés différents - cet espace de séquences possibles est plus grand que tout ce que vous pouvez comprendre", a déclaré Arnold.

Le défi auquel étaient confrontés les scientifiques à l'époque, a déclaré Arnold, lui rappelait la nouvelle de Jorge Luis Borges 1941, "La bibliothèque de Babel". Dans cette collection massive de livres, l'ordre et le contenu sont complètement aléatoires, et "les bibliothécaires désespèrent de trouver un jour un livre qui a une phrase significative, et encore moins une œuvre littéraire", a-t-elle déclaré. « Donc, je suis ici, professeur adjoint à Caltech, dans cette bibliothèque de toutes les protéines possibles, et je dois trouver 'Moby Dick'. »

Pour sortir de ce bourbier, Arnold s'est inspiré du biologiste britannique John Maynard Smith, qui a exposé les rouages ​​de la sélection naturelle dans les molécules. Les mutations qui apparaissent régulièrement dans les séquences d'ADN peuvent soit conduire à une défaillance protéique et à la fin de la lignée, soit à une variante protéique plus adaptée qui survit et peut engendrer les générations futures. "C'était une idée puissante pour moi", a déclaré Arnold. « Si je suis le sélectionneur de molécules, je décide qui est apte à passer à la génération suivante. Ce fut l'étincelle derrière l'évolution dirigée des enzymes - le processus développé par Arnold pour concevoir de meilleurs catalyseurs.

Enzymes de reproduction sélective

Pour réaliser sa vision, Arnold a créé une usine dans son laboratoire guidée par une méthodologie rigoureuse. Elle a échantillonné des enzymes d'intérêt et identifié des séquences d'ADN qui pourraient conduire à des fonctions améliorées. Ensuite, elle a généré des mutations dans ces séquences et, à l'aide de bactéries hôtes, a créé des enzymes dont elle évaluerait les propriétés. Arnold a répété ce processus encore et encore jusqu'à ce qu'elle arrive à une enzyme avec les propriétés qu'elle recherchait.

Le résultat de ses premières années à poursuivre l'évolution enzymatique dirigée a été une nouvelle race de subtilisine, une enzyme que l'on peut trouver dans la saleté. (« Quatre milliards d'années de sélection naturelle nous ont donné des protéines que vous pouvez gratter du fond de votre chaussure », a noté Arnold.) La subtilisine modifiée pourrait fonctionner dans un solvant agressif, une propriété qui la rendait extrêmement utile pour les applications chimiques. Cette version a également satisfait un objectif primordial de la recherche d'Arnold : fabriquer des enzymes à base biologique pour remplacer celles synthétisées par les chimistes, qui impliquent souvent des matériaux destructeurs pour l'environnement.

"C'était simple, une bonne ingénierie, un processus algorithmique qui a conduit à des produits comme les enzymes de détergent à lessive, et m'a valu la plus grande distinction de ma vie et une apparition sur le tournage de" The Big Bang Theory "en 2017."

Emuler la nature

L'évolution dirigée des enzymes a déclenché un flot d'activité sur les enzymes optimisées et réutilisées du laboratoire d'Arnold, ainsi que de laboratoires du monde entier. La biocatalyse est en train de devenir une industrie de transformation, avec la prolifération d'enzymes à base biologique pour favoriser la formation de liaisons chimiques dans des molécules contenant des éléments tels que l'halogène, le fluor ou le chlore. En 2016, le laboratoire d'Arnold a conçu une enzyme qui catalyse normalement d'importantes réactions biologiques chez les êtres vivants pour forger une liaison carbone-silicium. C'était une première. "Nous pouvons programmer des bactéries pour produire ces liaisons avec un mutant qui fait le travail 50 fois mieux que le meilleur chimiste humain … et sans dévastation de l'environnement", a déclaré Arnold.

Les molécules construites autour de telles liaisons chimiques sont très demandées dans les industries pharmaceutique, agricole, des semi-conducteurs et des énergies renouvelables. Pour répondre au besoin, la chimie de synthèse conventionnelle s'appuie sur des matières dangereuses, des conditions de fabrication rudes et souvent coûteuses. Arnold pense que ses méthodes offrent une alternative plus écologique et moins chère.

En imitant la nature « et le processus puissant qui a donné naissance à toute vie », a-t-elle déclaré, « nous pouvons utiliser d'abondantes ressources renouvelables pour fabriquer tout ce que nous voulons ». Arnold a salué les étudiants dans le public : « C'est une chose merveilleuse avec laquelle travailler ; venez avec des idées fabuleuses ! En conclusion, elle a déclaré : « Si nous pouvons apprendre à utiliser ce processus, nous pouvons nous adapter, évoluer et innover en tandem avec notre belle planète. »

Hoyt C. Hottel a été membre du corps professoral du MIT de 1928 à 1968. La bourse de conférence Hoyt C. Hottel a été créée en 1985 pour reconnaître ses contributions au département de génie chimique et à ses étudiants, ainsi qu'à la création et à la direction du laboratoire de recherche sur les carburants. . La conférence est destinée à attirer d'éminents universitaires au MIT pour stimuler les futures générations d'étudiants. L’enseignement a repris cette année après une pause en 2020 pendant la pandémie de Covid-19.

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