"Som ingeniører ønsker vi å skape ting som ikke nødvendigvis eksisterer på planeten, eller kanskje aldri har eksistert, men som løser reelle problemer," sa Frances H. Arnold ved Hoyt C. Hottel-forelesningen i kjemiteknikk i 2021 1. oktober.
Ved å utnytte evolusjonsprosessen for å optimalisere og skape enzymer, lanserte Arnold, Pauling-professoren i kjemiteknikk, bioteknologi og biokjemi ved Caltech, et ingeniørfelt med applikasjoner innen alternativ energi, medisin og ulike industrier. Forskningen hennes ga henne Nobelprisen i kjemi 2018, i tillegg til Charles Stark Draper -prisen fra US National Academy of Engineering (2011), US National Medal of Technology and Innovation (2011) og Millennium Technology Prize (2016) .
Arnold -presentasjonen hennes, bemerket Arnold i starten, var første gang hun hadde snakket med et live publikum på 18 måneder - en grunn til feiring. I foredraget "Bringing New Chemistry to Life" fortalte Arnold historien om sin ubarmhjertige søken etter å løse presserende globale utfordringer ved hjelp av bedre enzymer - proteinene som katalyserer kjemiske reaksjoner i biologien og i et stort utvalg av produserte produkter og prosesser. Fortellingen hennes beskrev hennes tiår lange innsats for, med hennes ord, å "komponere" med DNA, bruke naturens verktøy for å generere enzymer "som fungerer bedre enn det naturen har gitt."
Foredraget ble sponset av Institutt for kjemiteknikk, og ble introdusert av avdelingsleder og instituttprofessor Paula T. Hammond.
Uforståelige muligheter
Arnold var i forkant av forskere på slutten av 1980 -tallet ivrig etter å utnytte de siste innovasjonene innen genetikk. Forskere hadde funnet ut hvordan DNA kodet for proteiner, og hvordan man redigerer DNA. Men i en tid før databehandling med høy gjennomstrømning og massive databaser for katalogisering av proteiner, kunne ingen laboratorier manipulere genetiske sekvenser for å velge ønskede egenskaper på en realistisk tidsskala. "Et typisk lite protein 300 aminosyrer langt med 20 forskjellige aminosyrer - det rommet med mulige sekvenser er større enn noe du kan forstå," sa Arnold.
Utfordringen forskerne stod overfor den gangen, sa Arnold, minnet henne om novellen Jorge Luis Borges 1941, "The Library of Babel." I denne massive samlingen av bøker er orden og innhold helt tilfeldig, og "bibliotekarer fortviler over å noensinne finne en bok som har en meningsfull setning, langt mindre et litteraturverk," sa hun. "Så her er jeg, assisterende professor ved Caltech, i dette biblioteket med alle mulige proteiner, og jeg må finne 'Moby Dick.'"
For å unnslippe denne myren hentet Arnold inspirasjon fra den britiske biologen John Maynard Smith, som la frem arbeidet med naturlig seleksjon i molekyler. Mutasjoner som rutinemessig dukker opp i DNA -sekvenser kan enten føre til proteinsvikt og slutten av linjen, eller til en bedre proteinvariant som overlever og kan skape fremtidige generasjoner. "Dette var en mektig idé for meg," sa Arnold. "Hvis jeg er oppdretter av molekyler, bestemmer jeg hvem som er egnet til å gå videre til neste generasjon." Dette var gnisten bak rettet enzymutvikling - prosessen utviklet av Arnold for å konstruere bedre katalysatorer.
Selektiv avl av enzymer
For å realisere visjonen hennes, opprettet Arnold en fabrikk i laboratoriet hennes guidet av en streng metodikk. Hun tok prøver av enzymer av interesse, og identifiserte DNA-sekvenser som kunne føre til forbedrede funksjoner. Deretter genererte hun mutasjoner i disse sekvensene og ved hjelp av vertsbakterier skapte hun enzymer hvis egenskaper hun ville evaluere. Arnold gjentok denne prosessen igjen og igjen til hun kom til et enzym med egenskapene hun søkte.
Resultatet av de første årene hun arbeidet med rettet enzymutvikling, var en ny ras av subtilisin, et enzym som finnes i skitt. ("Fire milliarder år med naturlig seleksjon har gitt oss proteiner du kan skrape fra bunnen av skoen din," bemerket Arnold.) Det konstruerte subtilisinet kunne fungere i et hardt løsningsmiddel, en egenskap som gjorde det ekstremt nyttig for kjemiske applikasjoner. Denne versjonen tilfredsstilte også et overordnet mål med Arnolds forskning: å lage biologisk baserte enzymer for å erstatte de som syntetiseres av kjemikere, som ofte involverer miljøødeleggende materialer.
"Det var enkel, god konstruksjon, en algoritmisk prosess som førte til produkter som vaskemiddelenzymer, og ga meg den største utmerkelsen i mitt liv, og en opptreden på settet til "The Big Bang Theory" i 2017.
Etterligne naturen
Rettet enzymutvikling utløste en flom av aktivitet på optimaliserte og gjenbrukte enzymer fra Arnolds laboratorium, så vel som fra laboratorier rundt om i verden. Biokatalyse er i ferd med å bli en transformativ industri, med spredning av biologisk baserte enzymer for å lokke dannelsen av kjemiske bindinger i molekyler som inneholder slike elementer som halogen, fluor eller klor. I 2016 designet Arnolds laboratorium et enzym som normalt katalyserer viktige biologiske reaksjoner i levende ting for å smi en karbon-silisiumbinding. Det var en første. "Vi kan programmere bakterier til å produsere disse bindingene med en mutant som gjør jobben 50 ganger bedre enn den beste menneskelige kjemikeren ... og uten miljøødeleggelser," sa Arnold.
Molekyler bygget rundt slike kjemiske bindinger er etterspurt i farmasøytisk, jordbruks-, halvleder- og fornybar energiindustri. For å møte behovet er konvensjonell syntetisk kjemi avhengig av farlige materialer, tøffe og ofte kostbare produksjonsforhold. Arnold mener metodene hennes tilbyr et miljøvennligere og rimeligere alternativ.
Ved å etterligne naturen "og den kraftige prosessen som har gitt opphav til alt liv," sa hun, "kan vi bruke rikelig med fornybare ressurser til å lage alt vi måtte ønske." Arnold hyllet studenter blant publikum: “Det er en fantastisk ting å jobbe med; kom inn med fabelaktige ideer! ” Til slutt sa hun: "Hvis vi kan lære å bruke denne prosessen, kan vi tilpasse oss, utvikle oss og innovere i takt med vår vakre planet."
Hoyt C. Hottel tjente som et MIT-fakultetsmedlem fra 1928 til 1968. Hoyt C. Hottel Lectureship ble etablert i 1985 for å anerkjenne hans bidrag til Institutt for kjemiteknikk og dets studenter, og til etableringen og ledelsen av Fuels Research Laboratory . Forelesningen er ment å trekke fremstående forskere til MIT for å stimulere fremtidige generasjoner av studenter. Lektoratet ble gjenopptatt i år etter en pause i 2020 under Covid-19-pandemien.
PlatonAi. Web3 Reimagined. Data Intelligence Amplified.
Klikk her for å få tilgang.
Kilde: https://news.mit.edu/2021/innovation-evolution-frances-arnold-1022
