"Mühendisler olarak, gezegende mutlaka var olmayan veya hiç var olmamış olabilecek, ancak gerçek sorunları çözen şeyler yaratmak istiyoruz" dedi. Frances H. Arnold 2021 Ekim'de 1 Hoyt C. Hottel Kimya Mühendisliği Konferansında.
Enzimleri optimize etmek ve yaratmak için evrim sürecinden yararlanan Caltech'te Pauling Kimya Mühendisliği, Biyomühendislik ve Biyokimya Profesörü Arnold, alternatif enerji, tıp ve çeşitli endüstrilerde uygulamaları olan bir mühendislik alanı başlattı. Araştırmaları ona 2018 Nobel Kimya Ödülü'nün yanı sıra ABD Ulusal Mühendislik Akademisi Charles Stark Draper Ödülü'nü (2011), ABD Ulusal Teknoloji ve Yenilik Madalyası'nı (2011) ve Milenyum Teknoloji Ödülü'nü (2016) kazandırdı. .
Arnold, Hottel sunumunun başlangıçta 18 aydan beri ilk kez canlı bir izleyici kitlesine konuşması olduğunu belirtti; bu bir kutlama nedeniydi. "Yeni Kimyayı Hayata Geçirmek" başlıklı konuşmada Arnold, acil küresel zorluklara daha iyi enzimler (biyolojideki ve çok çeşitli üretilmiş ürün ve süreçlerdeki kimyasal reaksiyonları katalize eden proteinler) yoluyla çözüm bulmaya yönelik amansız arayışının öyküsünü anlattı. Anlatısı, onun kendi deyimiyle, "doğanın sağladıklarından daha iyi çalışan" enzimler üretmek için doğanın araçlarını kullanarak DNA ile "oluşturma" yönünde onlarca yıldır süren çabasını anlatıyordu.
Dersin sponsorluğunu Kimya Mühendisliği Bölümü üstlendi ve sunum bölüm başkanı ve Enstitü Profesörü Paula T. Hammond tarafından yapıldı.
Anlaşılmaz olasılıklar
Arnold, 1980'lerin sonlarında genetikteki en son yeniliklerden yararlanmaya istekli bilim adamlarının öncüsüydü. Araştırmacılar, DNA'nın proteinleri nasıl kodladığını ve DNA'nın nasıl düzenleneceğini çözmüştü. Ancak proteinlerin kataloglanması için yüksek verimli bilgi işlem ve devasa veri tabanlarının olmadığı bir dönemde, hiçbir laboratuvar istenen özellikleri gerçekçi bir zaman ölçeğinde seçmek için genetik dizileri değiştiremezdi. Arnold, "300 farklı amino asit içeren, 20 amino asit uzunluğunda tipik bir küçük protein; olası dizilerin bu alanı, kavrayabileceğiniz her şeyden daha büyüktür" dedi.
Arnold, o dönemde bilim adamlarının karşı karşıya olduğu zorluğun ona Jorge Luis Borges'in 1941 tarihli "Babil Kütüphanesi" adlı kısa öyküsünü hatırlattığını söyledi. Bu devasa kitap koleksiyonunda sıra ve içerik tamamen rastlantısaldır ve "kütüphaneciler bir edebiyat eseri şöyle dursun, anlamlı bir cümleye sahip bir kitap bile bulma konusunda umutsuzdur" dedi. "İşte buradayım, Caltech'te yardımcı doçent olarak, mümkün olan tüm proteinlerin bulunduğu bu kütüphanede ve 'Moby Dick'i bulmam gerekiyor."
Bu bataklıktan kurtulmak için Arnold, moleküllerdeki doğal seçilimin işleyişini ortaya koyan İngiliz biyolog John Maynard Smith'ten ilham aldı. DNA dizilerinde rutin olarak ortaya çıkan mutasyonlar, ya protein yetmezliğine ve soyun sonuna yol açabilir ya da hayatta kalan ve gelecek nesilleri oluşturabilecek daha uygun bir protein varyantına yol açabilir. Arnold, "Bu benim için güçlü bir fikirdi" dedi. "Eğer ben molekül yetiştiricisiysem, kimin gelecek nesile geçmeye uygun olduğuna ben karar veririm." Bu, Arnold'un daha iyi katalizörler tasarlamak için geliştirdiği süreç olan yönlendirilmiş enzim evriminin arkasındaki kıvılcımdı.
Seçici olarak üreme enzimleri
Arnold, vizyonunu gerçekleştirmek için laboratuvarında sıkı bir metodolojinin rehberliğinde bir fabrika kurdu. İlgili enzimleri örnekledi ve gelişmiş işlevlere yol açabilecek DNA dizilerini belirledi. Daha sonra bu dizilerde mutasyonlar oluşturdu ve konakçı bakterileri kullanarak özelliklerini değerlendireceği enzimler yarattı. Arnold, aradığı özelliklere sahip bir enzime ulaşana kadar bu işlemi defalarca tekrarladı.
Yönlendirilmiş enzim evrimini takip ettiği ilk yılların sonucu, toprakta bulunabilen bir enzim olan yeni bir tür subtilisin ortaya çıktı. (“Dört milyar yıllık doğal seçilim bize ayakkabınızın altından kazıyabileceğiniz proteinler verdi” diye belirtti Arnold.) Tasarlanmış subtilisin sert bir çözücü içinde işleyebiliyordu ve bu özellik onu kimyasal uygulamalar için son derece yararlı kılıyordu. Bu versiyon aynı zamanda Arnold'un araştırmasının kapsayıcı bir amacını da tatmin ediyordu: kimyagerler tarafından sentezlenenlerin yerini alacak ve genellikle çevreye zarar veren malzemeler içeren biyolojik bazlı enzimler yapmak.
"Basit, iyi bir mühendislikti, çamaşır deterjanı enzimleri gibi ürünlere yol açan algoritmik bir süreçti ve bana hayatımın en büyük ödülünü kazandırdı ve 2017'de 'The Big Bang Theory' setinde yer aldı."
Doğayı taklit etmek
Yönlendirilmiş enzim evrimi, Arnold'un laboratuvarının yanı sıra dünya çapındaki laboratuvarlardan optimize edilmiş ve yeniden tasarlanmış enzimler üzerinde bir aktivite seli ortaya çıkardı. Biyokataliz, halojen, flor veya klor gibi elementleri içeren moleküllerde kimyasal bağların oluşumunu teşvik etmek için biyolojik bazlı enzimlerin çoğalmasıyla dönüştürücü bir endüstri haline geliyor. 2016 yılında Arnold'un laboratuvarı, normalde canlılardaki önemli biyolojik reaksiyonları katalize ederek karbon-silisyum bağı oluşturan bir enzim tasarladı. Bu bir ilkti. Arnold, "Bakterileri bu bağları, işi en iyi kimyagerden 50 kat daha iyi yapan bir mutantla ve çevreye zarar vermeden üretecek şekilde programlayabiliriz" dedi.
Bu tür kimyasal bağların etrafında oluşturulan moleküller ilaç, tarım, yarı iletken ve yenilenebilir enerji endüstrilerinde yüksek talep görmektedir. İhtiyacı karşılamak için geleneksel sentetik kimya, tehlikeli maddelere, zorlu ve çoğu zaman maliyetli üretim koşullarına dayanır. Arnold, yöntemlerinin çevre dostu ve daha ucuz bir alternatif sunduğuna inanıyor.
Doğayı ve tüm yaşamın ortaya çıkmasına neden olan güçlü süreci taklit ederek, "istediğimiz her şeyi yapmak için bol miktarda yenilenebilir kaynak kullanabiliriz" dedi. Arnold, dinleyiciler arasında bulunan öğrencileri selamladı: “Birlikte çalışmak harika bir şey; muhteşem fikirlerle gelin!” Kapanışta şunları söyledi: "Eğer bu süreci nasıl kullanacağımızı öğrenebilirsek, güzel gezegenimize uyum sağlayabilir, gelişebilir ve yenilikler yapabiliriz."
Hoyt C. Hottel, 1928'den 1968'e kadar MIT öğretim üyesi olarak görev yaptı. Hoyt C. Hottel Öğretim Görevlisi, Kimya Mühendisliği Bölümü'ne ve öğrencilerine ve Yakıtlar Araştırma Laboratuvarı'nın kurulmasına ve yönetilmesine yaptığı katkıları takdir etmek amacıyla 1985 yılında kuruldu. . Konferans, gelecek nesil öğrencileri teşvik etmek için seçkin akademisyenleri MIT'ye çekmeyi amaçlıyor. Dersler, 2020'de Kovid-19 salgını sırasında verilen aranın ardından bu yıl yeniden başladı.
Plato Ai. Web3 Yeniden Düşünüldü. Güçlendirilmiş Veri Zekası.
Erişmek için buraya tıklayın.
Kaynak: https://news.mit.edu/2021/innovation-evolution-frances-arnold-1022
