«Как инженеры, мы хотим создавать вещи, которые не обязательно существуют на планете или, возможно, никогда не существовали, но которые решают реальные проблемы», - сказал Фрэнсис Х. Арнольд на лекции Хойта К. Хоттеля по химической инженерии 2021 октября 1 года.

Используя процесс эволюции для оптимизации и создания ферментов, Арнольд, профессор Полинга по химической инженерии, биоинженерии и биохимии в Калифорнийском технологическом институте, открыл область инженерии с приложениями в альтернативной энергии, медицине и различных отраслях промышленности. Ее исследования принесли ей Нобелевскую премию по химии 2018 г., а также премию Чарльза Старка Дрейпера Национальной инженерной академии США (2011 г.), Национальную медаль США в области технологий и инноваций (2011 г.) и Премию технологий тысячелетия (2016 г.). .

Вначале Арнольд отметил, что ее презентация Hottel была первым разом, когда она выступила перед живой аудиторией за 18 месяцев, и это стало поводом для празднования. В своем выступлении «Реализация новой химии» Арнольд рассказала историю своего неустанного поиска решения неотложных глобальных проблем с помощью более совершенных ферментов - белков, катализирующих химические реакции в биологии и во множестве производимых продуктов и процессов. В ее рассказе описывается ее многолетняя попытка, по ее словам, «составить» ДНК, используя инструменты природы для создания ферментов, «которые работают лучше, чем то, что предоставила природа».

Лекция была организована кафедрой химического машиностроения и была представлена ​​заведующим кафедрой и профессором института Паулой Т. Хаммонд.

Непостижимые возможности

В конце 1980-х Арнольд был в авангарде ученых, стремившихся использовать последние инновации в генетике. Исследователи выяснили, как ДНК кодирует белки и как редактировать ДНК. Но в эпоху до появления высокопроизводительных вычислений и массивных баз данных для каталогизации белков ни одна лаборатория не могла манипулировать генетическими последовательностями для выбора желаемых свойств в реалистичном масштабе времени. «Типичный небольшой белок длиной 300 аминокислот с 20 различными аминокислотами - это пространство возможных последовательностей больше, чем все, что вы можете понять», - сказал Арнольд.

По словам Арнольда, задача, с которой столкнулись ученые того времени, напомнила ей рассказ Хорхе Луиса Борхеса 1941 года «Вавилонская библиотека». В этой огромной коллекции книг порядок и содержание совершенно случайны, и «библиотекари отчаялись когда-либо найти книгу с осмысленным предложением, не говоря уже о литературном произведении», - сказала она. «Итак, вот я, доцент Калифорнийского технологического института, в этой библиотеке всех возможных белков, и мне нужно найти« Моби Дика »».

Чтобы выбраться из этого болота, Арнольд черпал вдохновение у британского биолога Джона Мейнарда Смита, который изложил механизмы естественного отбора в молекулах. Мутации, которые обычно возникают в последовательностях ДНК, могут привести либо к белковому отказу и окончанию линии, либо к более подходящему варианту белка, который выживает и может породить будущие поколения. «Для меня это была сильная идея, - сказал Арнольд. «Если я выращиваю молекулы, я решаю, кто подходит для следующего поколения». Это была искра направленной эволюции ферментов - процесса, разработанного Арнольдом для создания лучших катализаторов.

Селективное разведение ферментов

Чтобы реализовать свое видение, Арнольд создала фабрику в своей лаборатории, руководствуясь строгой методологией. Она взяла образцы интересующих ферментов и определила последовательности ДНК, которые могут привести к усилению функций. Затем она произвела мутации в этих последовательностях и с помощью бактерий-хозяев создала ферменты, свойства которых она должна была оценить. Арнольд повторял этот процесс снова и снова, пока она не нашла фермент с искомыми свойствами.

Результатом ее первых лет стремления к направленной эволюции ферментов стала новая порода субтилизина, фермента, который можно найти в грязи. («Четыре миллиарда лет естественного отбора дали нам белки, которые вы можете соскрести с подошвы своей обуви», - отметил Арнольд.) Искусственно созданный субтилизин мог функционировать в жестком растворителе, что сделало его чрезвычайно полезным для химических применений. Эта версия также удовлетворила основную цель исследования Арнольда: создание ферментов на биологической основе для замены синтезированных химиками, которые часто включают материалы, разрушающие окружающую среду.

«Это был простой, хороший инженерный процесс, который привел к появлению таких продуктов, как ферменты для стиральных порошков, и принес мне самую большую награду в моей жизни, а также появление на съемочной площадке« Теории большого взрыва »в 2017 году».

Подражая природе

Направленная эволюция ферментов вызвала волну активности в области оптимизированных и перепрофилированных ферментов в лаборатории Арнольда, а также в лабораториях по всему миру. Биокатализ становится преобразующей отраслью с распространением ферментов на биологической основе, способствующих образованию химических связей в молекулах, содержащих такие элементы, как галоген, фтор или хлор. В 2016 году лаборатория Арнольда разработала фермент, который обычно катализирует важные биологические реакции в живых организмах, чтобы создать связь углерод-кремний. Это было впервые. «Мы можем запрограммировать бактерии на образование этих связей с помощью мутанта, который выполняет эту работу в 50 раз лучше, чем лучший химик-человек… и без ущерба для окружающей среды», - сказал Арнольд.

Молекулы, построенные на таких химических связях, пользуются большим спросом в фармацевтической, сельскохозяйственной, полупроводниковой и возобновляемой энергетике. Чтобы удовлетворить эту потребность, традиционная синтетическая химия полагается на опасные материалы, суровые и часто дорогостоящие производственные условия. Арнольд считает, что ее методы предлагают более экологически чистую и менее дорогую альтернативу.

Подражая природе, «и мощному процессу, который породил все живое, - сказала она, - мы можем использовать обильные возобновляемые ресурсы, чтобы производить все, что нам нужно». Арнольд приветствовал студентов в аудитории: «Это замечательная вещь для работы; приходите с потрясающими идеями! » В заключение она сказала: «Если мы сможем научиться использовать этот процесс, мы сможем адаптироваться, развиваться и вводить новшества в тандеме с нашей прекрасной планетой».

Хойт К. Хоттель был преподавателем Массачусетского технологического института с 1928 по 1968 год. Лекторская группа Хойта К. Хоттеля была основана в 1985 году в знак признания его вклада в работу кафедры химической инженерии и ее студентов, а также в создание и руководство Лабораторией исследования топлива. . Лекция предназначена для привлечения выдающихся ученых в Массачусетский технологический институт для стимулирования будущих поколений студентов. Лекция возобновилась в этом году после перерыва в 2020 году во время пандемии Covid-19.

PlatoAi. Web3 в новом свете. Расширенный анализ данных.
Щелкните здесь, чтобы получить доступ.

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