「エンジニアとして、私たちは地球上に必ずしも存在しない、または存在したことがないかもしれないが、実際の問題を解決するものを作りたいと思っています」と述べました。 フランシス・H・アーノルド 2021月1日の化学工学のXNUMXHoyt C.Hottel講義で。

カリフォルニア工科大学の化学工学、生物工学、生化学のポーリング教授であるアーノルドは、進化の過程を利用して酵素を最適化および作成し、代替エネルギー、医学、および多様な産業に応用できる工学分野を立ち上げました。 彼女の研究により、2018年のノーベル化学賞、全米技術アカデミーのチャールズスタークドレーパー賞（2011年）、全米技術技術賞（2011年）、ミレニアム技術賞（2016年）を受賞しました。 。

アーノルドが冒頭で述べた彼女のHottelのプレゼンテーションは、彼女が18か月でライブの聴衆に話しかけたのは初めてでした。これはお祝いの理由です。 アーノルドは講演「BringingNewChemistry to Life」で、生物学や製造された製品やプロセスの化学反応を触媒するタンパク質など、より優れた酵素によって緊急の地球規模の課題に取り組むという彼女の執拗な探求の物語を語りました。 彼女の物語は、彼女の言葉で、「自然が提供するものよりもうまく機能する」酵素を生成するために自然のツールを利用して、DNAで「構成する」という彼女の数十年にわたる努力を説明しました。

講義は化学工学科が主催し、学科長兼研究所教授のポーラ・T・ハモンドが紹介しました。

理解できない可能性

アーノルドは1980年代後半、遺伝学の最新のイノベーションを活用することを熱望していた科学者の先駆者でした。 研究者たちは、DNAがタンパク質をどのようにコード化するか、そしてDNAを編集する方法を理解していました。 しかし、タンパク質をカタログ化するためのハイスループットコンピューティングと大規模なデータベースが登場する前の時代には、遺伝子配列を操作して現実的な時間スケールで目的のプロパティを選択するラボはありませんでした。 「300アミノ酸の長さと20の異なるアミノ酸を持つ典型的な小タンパク質—可能な配列のスペースはあなたが理解できるものよりも大きいです」とアーノルドは言いました。

アーノルド氏によると、当時の科学者が直面していた課題は、ホルヘルイスボルヘスの1941年の短編小説「バベルの図書館」を思い出させたという。 この膨大な数の本のコレクションでは、順序と内容は完全にランダムであり、「図書館員は、意味のある文章、ましてや文学作品を含む本を見つけることに絶望しています」と彼女は言いました。 「それで、私はカリフォルニア工科大学の助教授であり、考えられるすべてのタンパク質のこのライブラリーにいます。「MobyDick」を見つけなければなりません。」

この泥沼から逃れるために、アーノルドは、分子の自然淘汰の仕組みを説明した英国の生物学者ジョン・メイナード・スミスからインスピレーションを得ました。 DNA配列に日常的に現れる突然変異は、タンパク質の失敗とラインの終わり、または生き残り、将来の世代を生み出すことができるより適切なタンパク質変異体のいずれかにつながる可能性があります。 「これは私にとって強力なアイデアでした」とアーノルドは言いました。 「私が分子のブリーダーである場合、私は誰が次世代に進むのに適しているかを決定します。」 これは、より優れた触媒を設計するためにアーノルドによって開発されたプロセスである、指向性酵素の​​進化の背後にある火花でした。

酵素を選択的に繁殖させる

アーノルドは、彼女のビジョンを実現するために、厳格な方法論に基づいてラボに工場を設立しました。 彼女は目的の酵素をサンプリングし、機能の強化につながる可能性のあるDNA配列を特定しました。 次に、彼女はこれらの配列に変異を生成し、宿主細菌を使用して、その特性を評価する酵素を作成しました。 アーノルドは、彼女が求めていた特性を持つ酵素に到達するまで、このプロセスを何度も繰り返しました。

指示された酵素の進化を追求した彼女の最初の年の結果は、土の中に見つけることができる酵素である新しい種類のスブチリシンでした。 （「XNUMX億年の自然淘汰により、靴の底からこすり落とすことができるタンパク質が得られました」とアーノルド氏は述べています。）操作されたスブチリシンは、化学用途に非常に役立つ特性である過酷な溶媒中で機能する可能性があります。 このバージョンはまた、アーノルドの研究の包括的な目標を満たしました。それは、環境を破壊する物質を含むことが多い化学者によって合成された酵素を置き換える生物学ベースの酵素を作ることです。

「それはシンプルで優れたエンジニアリングであり、洗濯洗剤酵素のような製品につながるアルゴリズムプロセスであり、私の人生で最大の称賛を得て、2017年の「ビッグバン理論」のセットに登場しました。」

自然をエミュレートする

指示された酵素の進化は、アーノルドの研究室だけでなく、世界中の研究室からの最適化され再利用された酵素に関する活動の洪水を解き放ちました。 生体触媒作用は、ハロゲン、フッ素、塩素などの元素を含む分子内の化学結合の形成を促進する生物学的ベースの酵素の増殖により、変革をもたらす産業になりつつあります。 2016年、アーノルドの研究室は、通常、生物の重要な生物学的反応を触媒して炭素-シリコン結合を形成する酵素を設計しました。 初めてでした。 「私たちはバクテリアをプログラムして、最高の人間の化学者よりも50倍優れた仕事をする突然変異体を使ってこれらの結合を生成することができます…そして、環境破壊なしで」とアーノルドは言いました。

このような化学結合を中心に構築された分子は、製薬、農業、半導体、および再生可能エネルギー産業で高い需要があります。 ニーズを満たすために、従来の合成化学は、危険物、過酷でしばしば費用のかかる製造条件に依存しています。 アーノルドは、彼女の方法が環境に優しく、より安価な代替手段を提供すると信じています。

自然をエミュレートすることで、「そしてすべての生命を生み出す強力なプロセス」と彼女は言いました。「豊富な再生可能資源を使用して、必要なものすべてを作ることができます。」 アーノルドは聴衆の中で学生を歓迎しました。 素晴らしいアイデアを持ってきてください！」 最後に、「このプロセスの使い方を学ぶことができれば、美しい惑星と連携して適応、進化、革新することができます」と彼女は言いました。

Hoyt C. Hottelは、1928年から1968年までMITの教員を務めました。HoytC。HottelLectureshipは、化学工学科とその学生、および燃料研究所の設立と指導に対する彼の貢献を称えるために1985年に設立されました。 。 このレクチャーシップは、著名な学者をMITに呼び込み、次世代の学生を刺激することを目的としています。 レクチャーシップは、2020年のCovid-19パンデミックの一時停止の後、今年再開されました。

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