"Come ingegneri, vogliamo creare cose che non necessariamente esistono sul pianeta, o potrebbero non essere mai esistite, ma che risolvono problemi reali", ha affermato Francesca H. Arnold alla conferenza Hoyt C. Hottel 2021 in ingegneria chimica il 1 ottobre.

Sfruttando il processo di evoluzione per ottimizzare e creare enzimi, Arnold, il Pauling Professor di ingegneria chimica, bioingegneria e biochimica al Caltech, ha lanciato un campo di ingegneria con applicazioni in energie alternative, medicina e diversi settori. La sua ricerca le è valsa il Premio Nobel per la Chimica 2018, così come il Charles Stark Draper Prize della US National Academy of Engineering (2011), la US National Medal of Technology and Innovation (2011) e il Millennium Technology Prize (2016). .

La sua presentazione Hottel, ha osservato Arnold all'inizio, è stata la prima volta che ha parlato a un pubblico dal vivo in 18 mesi - un motivo di festa. Nel discorso, "Bringing New Chemistry to Life", Arnold ha raccontato la storia della sua incessante ricerca per affrontare le sfide globali urgenti tramite enzimi migliori: le proteine ​​​​che catalizzano le reazioni chimiche in biologia e in una vasta gamma di prodotti e processi fabbricati. La sua narrativa descriveva il suo sforzo decennale per, nelle sue parole, "comporre" con il DNA, utilizzando gli strumenti della natura per generare enzimi "che funzionano meglio di ciò che la natura ha fornito".

La conferenza è stata sponsorizzata dal Dipartimento di Ingegneria Chimica, ed è stata introdotta dal capo del dipartimento e Professoressa dell'Istituto Paula T. Hammond.

Possibilità incomprensibili

Arnold era all'avanguardia degli scienziati alla fine degli anni '1980 desiderosi di sfruttare le ultime innovazioni nel campo della genetica. I ricercatori avevano scoperto come il DNA codificava le proteine ​​e come modificarlo. Ma in un'era prima dell'elaborazione ad alto rendimento e di enormi database per la catalogazione delle proteine, nessun laboratorio poteva manipolare sequenze genetiche per selezionare le proprietà desiderate su una scala temporale realistica. "Una tipica piccola proteina lunga 300 amminoacidi con 20 diversi amminoacidi - quello spazio di possibili sequenze è più grande di qualsiasi cosa tu possa comprendere", ha detto Arnold.

La sfida che gli scienziati stavano affrontando all'epoca, ha detto Arnold, le ricordava il racconto di Jorge Luis Borges del 1941, "La biblioteca di Babele". In questa enorme raccolta di libri, l'ordine e il contenuto sono completamente casuali e "i bibliotecari disperano di trovare un libro che abbia una frase significativa, tanto meno un'opera letteraria", ha detto. "Quindi eccomi qui, un assistente professore al Caltech, in questa libreria di tutte le possibili proteine, e devo trovare 'Moby Dick'".

Per sfuggire a questo pantano, Arnold si ispirò al biologo britannico John Maynard Smith, che espose il funzionamento della selezione naturale nelle molecole. Le mutazioni che compaiono abitualmente nelle sequenze di DNA possono portare al fallimento proteico e alla fine della linea, o a una variante proteica più adatta che sopravvive e può generare generazioni future. "Questa è stata un'idea potente per me", ha detto Arnold. "Se sono un allevatore di molecole, decido chi è adatto per passare alla generazione successiva". Questa è stata la scintilla dietro l'evoluzione diretta degli enzimi, il processo sviluppato da Arnold per progettare catalizzatori migliori.

Enzimi di allevamento selettivo

Per realizzare la sua visione, Arnold ha creato una fabbrica nel suo laboratorio guidata da una metodologia rigorosa. Ha campionato gli enzimi di interesse e ha identificato le sequenze di DNA che potrebbero portare a funzioni migliorate. Quindi ha generato mutazioni in queste sequenze e, utilizzando i batteri ospiti, ha creato enzimi di cui avrebbe valutato le proprietà. Arnold ha ripetuto questo processo ancora e ancora finché non è arrivata a un enzima con le proprietà che cercava.

Il risultato dei suoi primi anni di ricerca dell'evoluzione enzimatica diretta è stata una nuova generazione di subtilisina, un enzima che può essere trovato nella sporcizia. ("Quattro miliardi di anni di selezione naturale ci hanno fornito proteine ​​​​che puoi raschiare dal fondo della scarpa", ha osservato Arnold.) La subtilisina ingegnerizzata potrebbe funzionare in un solvente aggressivo, una proprietà che la rendeva estremamente utile per le applicazioni chimiche. Questa versione ha anche soddisfatto un obiettivo generale della ricerca di Arnold: produrre enzimi a base biologica per sostituire quelli sintetizzati dai chimici, che spesso coinvolgono materiali dannosi per l'ambiente.

"Era semplice, una buona ingegneria, un processo algoritmico che ha portato a prodotti come gli enzimi dei detersivi per bucato, e mi ha fatto ottenere il più grande riconoscimento della mia vita e un'apparizione sul set di 'The Big Bang Theory' nel 2017".

Emulare la natura

L'evoluzione diretta degli enzimi ha scatenato una marea di attività su enzimi ottimizzati e riproposti dal laboratorio di Arnold, così come dai laboratori di tutto il mondo. La biocatalisi sta diventando un'industria trasformativa, con la proliferazione di enzimi a base biologica per indurre la formazione di legami chimici in molecole contenenti elementi come alogeno, fluoro o cloro. Nel 2016, il laboratorio di Arnold ha progettato un enzima che normalmente catalizza importanti reazioni biologiche negli esseri viventi per creare un legame carbonio-silicio. È stato il primo. "Possiamo programmare i batteri per produrre questi legami con un mutante che fa il lavoro 50 volte meglio del miglior chimico umano... e senza la devastazione ambientale", ha detto Arnold.

Le molecole costruite attorno a tali legami chimici sono molto richieste nei settori farmaceutico, agricolo, dei semiconduttori e delle energie rinnovabili. Per soddisfare l'esigenza, la chimica sintetica convenzionale si basa su materiali pericolosi, condizioni di produzione difficili e spesso costose. Arnold crede che i suoi metodi offrano un'alternativa più rispettosa dell'ambiente e meno costosa.

Emulando la natura "e il potente processo che ha dato origine a tutta la vita", ha detto, "possiamo utilizzare abbondanti risorse rinnovabili per fare tutto ciò che potremmo desiderare". Arnold ha salutato gli studenti tra il pubblico: “È una cosa meravigliosa con cui lavorare; vieni con idee favolose!” In chiusura, ha detto: "Se possiamo imparare come utilizzare questo processo, possiamo adattarci, evolverci e innovare in tandem con il nostro bellissimo pianeta".

Hoyt C. Hottel è stato membro della facoltà del MIT dal 1928 al 1968. La Hoyt C. Hottel Lectureship è stata istituita nel 1985 per riconoscere i suoi contributi al Dipartimento di ingegneria chimica e ai suoi studenti, e per l'istituzione e la direzione del Laboratorio di ricerca sui combustibili . La lezione ha lo scopo di attirare eminenti studiosi al MIT per stimolare le future generazioni di studenti. Il corso è ripreso quest'anno dopo una pausa nel 2020 durante la pandemia di Covid-19.

Platone Ai. Web3 reinventato. Intelligenza dei dati amplificata.
Clicca qui per accedere.

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