"Als ingenieurs willen we dingen creëren die niet per se op de planeet bestaan, of misschien nooit hebben bestaan, maar die echte problemen oplossen," zei Frances H Arnold tijdens de Hoyt C. Hottel Lecture in Chemical Engineering 2021 op 1 oktober.

Door gebruik te maken van het evolutieproces om enzymen te optimaliseren en te creëren, lanceerde Arnold, de Pauling-hoogleraar chemische technologie, bio-engineering en biochemie bij Caltech, een technisch gebied met toepassingen in alternatieve energie, medicijnen en diverse industrieën. Haar onderzoek leverde haar in 2018 de Nobelprijs voor de Scheikunde op, evenals de Charles Stark Draper Prize van de US National Academy of Engineering (2011), de US National Medal of Technology and Innovation (2011) en de Millennium Technology Prize (2016) .

Haar Hottel-presentatie, merkte Arnold aan het begin op, was de eerste keer in 18 maanden dat ze voor een live publiek had gesproken - een reden voor een feestje. In de talk, "Bringing New Chemistry to Life", vertelde Arnold het verhaal van haar niet-aflatende zoektocht om urgente wereldwijde uitdagingen aan te pakken door middel van betere enzymen - de eiwitten die chemische reacties katalyseren in de biologie en in een breed scala aan gefabriceerde producten en processen. Haar verhaal beschreef haar decennialange inspanning om, in haar woorden, te 'componeren' met DNA, gebruikmakend van de hulpmiddelen van de natuur om enzymen te genereren 'die beter werken dan wat de natuur heeft geleverd'.

De lezing werd gesponsord door de faculteit Chemische Technologie en werd ingeleid door afdelingshoofd en instituutshoogleraar Paula T. Hammond.

Onbegrijpelijke mogelijkheden

Arnold behoorde eind jaren tachtig tot de voorhoede van wetenschappers die graag gebruik wilden maken van de nieuwste innovaties op het gebied van genetica. Onderzoekers hadden ontdekt hoe DNA codeerde voor eiwitten en hoe ze DNA konden bewerken. Maar in een tijdperk vóór high-throughput computing en enorme databases voor het catalogiseren van eiwitten, kon geen enkel laboratorium genetische sequenties manipuleren om te selecteren op gewenste eigenschappen op een realistische tijdschaal. "Een typisch klein eiwit van 1980 aminozuren lang met 300 verschillende aminozuren - die ruimte van mogelijke sequenties is groter dan alles wat je kunt begrijpen," zei Arnold.

De uitdaging waarmee wetenschappers in die tijd werden geconfronteerd, zei Arnold, deed haar denken aan het korte verhaal van Jorge Luis Borges uit 1941, 'The Library of Babel'. In deze enorme verzameling boeken zijn de volgorde en inhoud volkomen willekeurig, en "bibliothecarissen wanhopen nooit een boek te vinden met een zinvolle zin, laat staan ​​een literair werk", zei ze. "Dus hier ben ik, een assistent-professor bij Caltech, in deze bibliotheek met alle mogelijke eiwitten, en ik moet 'Moby Dick' vinden."

Om aan dit moeras te ontsnappen, liet Arnold zich inspireren door de Britse bioloog John Maynard Smith, die de werking van natuurlijke selectie in moleculen uiteenzette. Mutaties die routinematig opduiken in DNA-sequenties kunnen ofwel leiden tot eiwitfalen en het einde van de lijn, ofwel tot een fittere eiwitvariant die overleeft en toekomstige generaties kan voortbrengen. "Dit was een krachtig idee voor mij", zei Arnold. "Als ik de kweker van moleculen ben, bepaal ik wie geschikt is om door te gaan naar de volgende generatie." Dit was de vonk achter gerichte enzymevolutie - het proces dat door Arnold is ontwikkeld om betere katalysatoren te ontwikkelen.

Selectief kweken van enzymen

Om haar visie te realiseren, creëerde Arnold een fabriek in haar lab, geleid door een rigoureuze methodologie. Ze nam monsters van interessante enzymen en identificeerde DNA-sequenties die tot verbeterde functies konden leiden. Vervolgens genereerde ze mutaties in deze sequenties en creëerde ze met behulp van gastheerbacteriën enzymen waarvan ze de eigenschappen zou evalueren. Arnold herhaalde dit proces keer op keer totdat ze bij een enzym kwam met de eigenschappen die ze zocht.

Het resultaat van haar eerste jaren dat ze gerichte enzymevolutie nastreefde, was een nieuw soort subtilisine, een enzym dat in vuil kan worden gevonden. ("Vier miljard jaar natuurlijke selectie heeft ons eiwitten opgeleverd die je van de onderkant van je schoen kunt schrapen", merkte Arnold op.) De gemanipuleerde subtilisine zou kunnen functioneren in een bijtend oplosmiddel, een eigenschap die het uiterst nuttig maakte voor chemische toepassingen. Deze versie voldeed ook aan een overkoepelend doel van Arnolds onderzoek: het maken van op biologische wijze gebaseerde enzymen ter vervanging van de enzymen die door chemici zijn gesynthetiseerd, waarbij vaak milieuvernietigende materialen worden gebruikt.

"Het was een eenvoudige, goede techniek, een algoritmisch proces dat leidde tot producten zoals wasmiddelenzymen, en me de grootste onderscheiding van mijn leven opleverde, en een optreden op de set van 'The Big Bang Theory' in 2017."

De natuur nabootsen

Gerichte enzymevolutie ontketende een stroom van activiteit op geoptimaliseerde en hergebruikte enzymen van Arnold's lab, maar ook van labs over de hele wereld. Biokatalyse wordt een transformatieve industrie, met de proliferatie van biologisch gebaseerde enzymen om de vorming van chemische bindingen te stimuleren in moleculen die elementen als halogeen, fluor of chloor bevatten. In 2016 ontwierp het laboratorium van Arnold een enzym dat normaal gesproken belangrijke biologische reacties in levende wezens katalyseert om een ​​koolstof-siliciumbinding te smeden. Het was een primeur. "We kunnen bacteriën programmeren om deze bindingen te produceren met een mutant die het werk 50 keer beter doet dan de beste menselijke chemicus ... en zonder de verwoesting van het milieu", zei Arnold.

Er is veel vraag naar moleculen die rond dergelijke chemische bindingen zijn gebouwd in de farmaceutische, landbouw-, halfgeleider- en hernieuwbare energie-industrie. Om aan de behoefte te voldoen, vertrouwt conventionele synthetische chemie op gevaarlijke materialen, ruwe en vaak dure productieomstandigheden. Arnold gelooft dat haar methoden een milieuvriendelijker en goedkoper alternatief bieden.

Door de natuur na te bootsen "en het krachtige proces dat tot al het leven heeft geleid", zei ze, "kunnen we overvloedige hernieuwbare bronnen gebruiken om alles te maken wat we maar willen." Arnold juichte de studenten in het publiek toe: “Het is geweldig om mee te werken; kom binnen met fantastische ideeën!” Tot slot zei ze: "Als we kunnen leren hoe we dit proces kunnen gebruiken, kunnen we ons aanpassen, evolueren en innoveren samen met onze prachtige planeet."

Hoyt C. Hottel was van 1928 tot 1968 lid van de MIT-faculteit. Het Hoyt C. Hottel-lectoraat werd in 1985 opgericht om zijn bijdragen aan het Department of Chemical Engineering en haar studenten te erkennen, en aan de oprichting en leiding van het Fuels Research Laboratory . Het lectoraat is bedoeld om vooraanstaande wetenschappers naar MIT te trekken om toekomstige generaties studenten te stimuleren. Het lectoraat is dit jaar hervat na een pauze in 2020 tijdens de Covid-19 pandemie.

PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.

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