Связь

Платон Вертикальный поиск

Биотехнология

Нобелевский лауреат Массачусетского технологического института Фрэнсис Арнольд описывает инновации как эволюцию

«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

Реклама. Прокрутите, чтобы продолжить чтение.

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

Реклама. Прокрутите, чтобы продолжить чтение.

Реклама

Связанные потоки

Блокчейн

Сегодня, несмотря на риски при использовании криптовалют, а также на меры по ужесточению контроля над криптовалютами со стороны правительства, криптовалюты становятся все более широко ...

Блокчейн

MyTona стала первой компанией в России, объявившей о своих планах в секторе Metaverse. Якутский разработчик игр сообщил в сообщении ...

Блокчейн

Элону и его астрономическим скачкам всегда удавалось удивлять людей из криптопространства. Например, указанная монета совсем недавно зарегистрировала массовый ...

Блокчейн

Игровая платформа Axie Infinity, предназначенная для заработка, недавно опубликовала в Твиттере, что «Земельный участок Genesis был продан за 550 ETH». На сумму 2.3 миллиона долларов это ...