"엔지니어로서 우리는 지구상에 반드시 존재하지 않거나 존재한 적이 없지만 실제 문제를 해결할 수 있는 것을 만들고 싶습니다."라고 말했습니다. 프랜시스 H. 아놀드 2021월 1일 XNUMX Hoyt C. Hottel 화학 공학 강의에서.

Caltech의 화학 공학, 생물 공학 및 생화학의 Pauling 교수인 Arnold는 효소를 최적화하고 생성하기 위한 진화 과정을 활용하여 대체 에너지, 의학 및 다양한 산업 분야에 응용할 수 있는 공학 분야를 시작했습니다. 그녀의 연구는 2018년 노벨 화학상, 미국 국립 공학 아카데미의 찰스 스타크 드레이퍼상(2011), 미국 기술 혁신 훈장(2011), 밀레니엄 기술상(2016)을 받았습니다. .

Arnold는 그녀의 Hottel 프레젠테이션이 18개월 만에 처음으로 라이브 청중과 이야기를 나눴다고 말했습니다. 축하의 이유였습니다. Arnold는 "Bringing New Chemistry to Life"라는 강연에서 더 나은 효소, 즉 생물학과 다양한 제조 제품 및 공정에서 화학 반응을 촉매하는 단백질을 통해 시급한 글로벌 과제를 해결하기 위한 그녀의 끊임없는 탐구에 대해 이야기했습니다. 그녀의 이야기는 "자연이 제공하는 것보다 더 잘 작동하는" 효소를 생성하기 위해 자연의 도구를 활용하여 DNA로 "구성"하려는 그녀의 수십 년 동안의 노력을 설명합니다.

강의는 화학공학과의 후원으로 학과장이자 연구소 교수인 Paula T. Hammond의 소개로 진행되었습니다.

이해할 수 없는 가능성

Arnold는 유전학의 최신 혁신을 활용하고자 하는 1980년대 후반 과학자들의 선봉에 있었습니다. 연구원들은 DNA가 단백질을 암호화하는 방법과 DNA를 편집하는 방법을 알아냈습니다. 그러나 처리량이 많은 컴퓨팅과 단백질 목록화를 위한 방대한 데이터베이스가 있기 전의 시대에는 어떤 실험실도 현실적인 시간 규모에서 원하는 특성을 선택하기 위해 유전자 서열을 조작할 수 없었습니다. Arnold는 "일반적인 작은 단백질 300개 아미노산 길이와 20개의 다른 아미노산 - 가능한 서열의 공간은 당신이 이해할 수 있는 그 어떤 것보다 큽니다."라고 말했습니다.

Arnold는 당시 과학자들이 직면한 도전이 그녀에게 1941년 Jorge Luis Borges 단편 소설 "바벨의 도서관"을 상기시켰다고 말했습니다. 그녀는 이 방대한 도서 컬렉션에서 순서와 내용이 완전히 무작위적이며 "사서들은 문학 작품은 물론이고 의미 있는 문장이 있는 책을 찾는 데 절망합니다"라고 말했습니다. "그래서 여기 Caltech의 조교수로 있는 이 가능한 모든 단백질 라이브러리에서 'Moby Dick'을 찾아야 합니다."

이 곤경에서 벗어나기 위해 Arnold는 영국 생물학자 John Maynard Smith에게서 영감을 얻었습니다. 그는 분자에서 자연 선택의 작용을 설명했습니다. DNA 염기서열에서 일상적으로 나타나는 돌연변이는 단백질 실패와 라인의 끝, 또는 생존하고 미래 세대를 낳을 수 있는 적합한 단백질 변이체로 이어질 수 있습니다. "이것은 저에게 강력한 아이디어였습니다."라고 Arnold가 말했습니다. “내가 분자를 키우는 사람이라면 누가 다음 세대에 들어갈 적임자를 결정합니다.” 이것은 Arnold가 더 나은 촉매를 설계하기 위해 개발한 프로세스인 유도된 효소 진화의 이면에 있는 불꽃이었습니다.

선택적으로 번식하는 효소

Arnold는 자신의 비전을 실현하기 위해 엄격한 방법론에 따라 실험실에 공장을 만들었습니다. 그녀는 관심 있는 효소를 샘플링하고 기능을 향상시킬 수 있는 DNA 서열을 확인했습니다. 그런 다음 그녀는 이 서열에서 돌연변이를 생성하고 숙주 박테리아를 사용하여 그녀가 평가할 속성의 효소를 생성했습니다. Arnold는 그녀가 원하는 특성을 가진 효소에 도달할 때까지 이 과정을 계속해서 반복했습니다.

그녀가 지시된 효소 진화를 추구한 첫 해의 결과는 흙에서 발견할 수 있는 효소인 서브틸리신의 새로운 품종이었습니다. ("XNUMX억 년 동안의 자연 선택은 신발 바닥에서 긁어낼 수 있는 단백질을 제공했습니다."라고 Arnold는 말했습니다.) 조작된 서브틸리신은 가혹한 용매에서 기능할 수 있어 화학 응용 분야에 매우 유용합니다. 이 버전은 또한 Arnold의 연구의 가장 중요한 목표인 화학자들이 합성한 효소를 대체하기 위해 생물학적 기반 효소를 만드는 것(종종 환경 파괴 물질을 포함함)을 충족했습니다.

"간단하고 우수한 엔지니어링, 알고리즘 프로세스 덕분에 세탁 세제 효소와 같은 제품이 탄생했고 제 인생 최대의 영예를 안았고 2017년 '빅뱅 이론' 세트장에 출연했습니다."

자연 모방

지시된 효소 진화는 Arnold의 연구실과 전 세계의 연구실에서 최적화되고 용도가 변경된 효소에 대한 엄청난 활동을 촉발했습니다. 생물 촉매 작용은 할로겐, 불소 또는 염소와 같은 요소를 포함하는 분자에서 화학 결합 형성을 유도하는 생물학적 기반 효소의 확산으로 변혁적인 산업이 되고 있습니다. 2016년에 Arnold의 연구실은 일반적으로 탄소-규소 결합을 형성하기 위해 생명체의 중요한 생물학적 반응을 촉매하는 효소를 설계했습니다. 처음이었다. Arnold는 "우리는 최고의 인간 화학자보다 50배 더 ​​나은 작업을 수행하는 돌연변이로 이러한 결합을 생성하도록 박테리아를 프로그래밍할 수 있습니다.

이러한 화학 결합 주위에 구축된 분자는 제약, 농업, 반도체 및 재생 에너지 산업에서 수요가 높습니다. 필요를 충족하기 위해 기존의 합성 화학은 위험 물질, 가혹하고 종종 비용이 많이 드는 제조 조건에 의존합니다. Arnold는 그녀의 방법이 환경 친화적이고 저렴한 대안을 제공한다고 믿습니다.

그녀는 자연과 "모든 생명을 낳은 강력한 과정"을 모방함으로써 "풍부한 재생 가능 자원을 사용하여 원하는 모든 것을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. Arnold는 청중에서 학생들을 환영했습니다. “함께 작업하는 것은 멋진 일입니다. 멋진 아이디어를 가지고 오세요!” 끝으로 그녀는 "이 프로세스를 사용하는 방법을 배울 수 있다면 아름다운 지구와 함께 적응하고 진화하고 혁신할 수 있습니다."라고 말했습니다.

Hoyt C. Hottel은 1928년부터 1968년까지 MIT 교수로 재직했습니다. Hoyt C. Hottel Lectureship은 1985년 화학 공학부와 그 학생들, 그리고 연료 연구소의 설립과 방향에 대한 그의 공헌을 인정하기 위해 설립되었습니다. . 강의는 저명한 학자들을 MIT로 끌어들여 미래 세대의 학생들을 자극하기 위한 것입니다. 2020년 코로나19 팬데믹(세계적 대유행)으로 중단됐던 강의가 올해 재개됐다.

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