"Som ingenjörer vill vi skapa saker som inte nödvändigtvis finns på planeten, eller som kanske aldrig har funnits, men som löser verkliga problem", sade Frances H. Arnold vid Hoyt C. Hottel-föreläsningen i kemiteknik 2021 den 1 oktober.

Genom att utnyttja evolutionsprocessen för att optimera och skapa enzymer, lanserade Arnold, Pauling-professorn i kemiteknik, bioteknik och biokemi vid Caltech, ett teknikområde med tillämpningar inom alternativ energi, medicin och olika industrier. Hennes forskning gav henne Nobelpriset i kemi 2018, samt Charles Stark Draper-priset från US National Academy of Engineering (2011), US National Medal of Technology and Innovation (2011) och Millennium Technology Prize (2016) .

Hennes Hottel-presentation, noterade Arnold i början, var första gången hon talade för en livepublik på 18 månader - en anledning till att fira. I föredraget ”Att väcka ny kemi till liv” berättade Arnold om hennes obevekliga strävan efter att ta itu med brådskande globala utmaningar genom bättre enzymer - proteinerna som katalyserar kemiska reaktioner i biologin och i ett stort antal tillverkade produkter och processer. Hennes berättelse beskrev hennes decennier långa ansträngning att, med hennes ord, "komponera" med DNA, använda naturens verktyg för att generera enzymer "som fungerar bättre än vad naturen har tillhandahållit."

Föreläsningen sponsrades av Institutionen för kemiteknik och introducerades av avdelningschef och institutprofessor Paula T. Hammond.

Obegripliga möjligheter

Arnold var i spetsen för forskare i slutet av 1980-talet, ivrig att utnyttja de senaste innovationerna inom genetik. Forskare hade listat ut hur DNA kodade för proteiner och hur man redigerar DNA. Men i en era innan datorer med hög genomströmning och massiva databaser för katalogisering av proteiner, kunde inget labb manipulera genetiska sekvenser för att välja önskade egenskaper på en realistisk tidsskala. "Ett typiskt litet protein 300 aminosyror långt med 20 olika aminosyror - det utrymmet av möjliga sekvenser är större än något du kan förstå," sa Arnold.

Utmaningen som forskare stod inför just då, sade Arnold, påminde henne om novellen Jorge Luis Borges 1941, ”The Babel Library”. I denna enorma samling av böcker är ordning och reda helt slumpmässigt, och "bibliotekarier misströstar om att någonsin hitta en bok som har en meningsfull mening, än mindre ett litteraturverk", sa hon. "Så här är jag, biträdande professor vid Caltech, i det här biblioteket med alla möjliga proteiner, och jag måste hitta 'Moby Dick'."

För att undkomma denna kärr hämtade Arnold inspiration från den brittiska biologen John Maynard Smith, som lade fram naturligt urval i molekyler. Mutationer som rutinmässigt dyker upp i DNA -sekvenser kan antingen leda till proteinsvikt och slutet av raden, eller till en piggare proteinvariant som överlever och kan skapa framtida generationer. "Detta var en kraftfull idé för mig", sade Arnold. "Om jag är uppfödare av molekyler bestämmer jag vem som är lämplig att gå vidare till nästa generation." Detta var gnistan bakom riktad enzymutveckling - processen utvecklad av Arnold för att konstruera bättre katalysatorer.

Selektivt förädlar enzymer

För att förverkliga sin vision skapade Arnold en fabrik i sitt laboratorium som styrs av en rigorös metodik. Hon provade enzymer av intresse och identifierade DNA -sekvenser som kan leda till förbättrade funktioner. Sedan genererade hon mutationer i dessa sekvenser och skapade enzymer vars egenskaper hon skulle utvärdera med hjälp av värdbakterier. Arnold upprepade denna process om och om igen tills hon kom fram till ett enzym med de egenskaper hon sökte.

Resultatet av hennes första år med riktad enzymutveckling var en ny ras av subtilisin, ett enzym som kan hittas i smuts. ("Fyra miljarder år av naturligt urval har gett oss proteiner som du kan skrapa från botten av din sko", noterade Arnold.) Det konstruerade subtilisinet kan fungera i ett hårt lösningsmedel, en egenskap som gjorde det extremt användbart för kemiska applikationer. Denna version uppfyllde också ett övergripande mål för Arnolds forskning: att tillverka biologiskt baserade enzymer för att ersätta de som syntetiseras av kemister, som ofta involverar miljöförstörande material.

"Det var enkel, bra konstruktion, en algoritmisk process som ledde till produkter som tvättmedelsenzym, och fick mig mitt livs största utmärkelse och ett utseende på uppsättningen" The Big Bang Theory "under 2017."

Efterliknar naturen

Riktad enzymutveckling frigjorde en flod av aktivitet på optimerade och återanvända enzymer från Arnolds laboratorium, liksom från laboratorier runt om i världen. Biokatalys håller på att bli en transformativ industri, med spridningen av biologiskt baserade enzymer för att få fram bildningen av kemiska bindningar i molekyler som innehåller sådana element som halogen, fluor eller klor. 2016 designade Arnolds labb ett enzym som normalt katalyserar viktiga biologiska reaktioner i levande varelser för att skapa en kol-kiselbindning. Det var en första. "Vi kan programmera bakterier att producera dessa bindningar med en mutant som gör jobbet 50 gånger bättre än den bästa mänskliga kemisten ... och utan miljöförstöring," sa Arnold.

Molekyler byggda kring sådana kemiska bindningar är mycket efterfrågade inom läkemedels-, jordbruks-, halvledar- och förnybar energiindustri. För att möta behovet förlitar sig konventionell syntetisk kemi på farliga material, hårda och ofta kostsamma tillverkningsförhållanden. Arnold tror att hennes metoder erbjuder ett miljövänligare och billigare alternativ.

Genom att efterlikna naturen "och den kraftfulla process som har gett upphov till allt liv", sa hon, "kan vi använda rikligt med förnybara resurser för att göra allt vi önskar." Arnold hyllade elever i publiken: ”Det är en underbar sak att jobba med; kom in med fantastiska idéer!" Avslutningsvis sa hon: "Om vi ​​kan lära oss att använda denna process kan vi anpassa, utvecklas och förnya tillsammans med vår vackra planet."

Hoyt C. Hottel tjänstgjorde som MIT-fakultetsmedlem från 1928 till 1968. Hoyt C. Hottel Lectureship bildades 1985 för att uppmärksamma hans bidrag till Institutionen för kemiteknik och dess studenter, och till inrättandet och ledningen av Fuels Research Laboratory . Lektoratet är tänkt att locka framstående forskare till MIT för att stimulera framtida generationer av studenter. Lektoratet återupptogs i år efter en paus 2020 under covid-19-pandemin.

PlatoAi. Web3 Reimagined. Datainformation förstärkt.
Klicka här för att komma åt.

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