Logo Zephyrnet

Tại MIT, người đoạt giải Nobel Frances Arnold mô tả sự đổi mới nhờ tiến hóa

Ngày:

“Là kỹ sư, chúng tôi muốn tạo ra những thứ không nhất thiết phải tồn tại trên hành tinh hoặc có thể chưa từng tồn tại nhưng giải quyết được những vấn đề thực sự,” cho biết Frances H. Arnold tại Bài giảng Hoyt C. Hottel năm 2021 về Kỹ thuật Hóa học vào ngày 1 tháng XNUMX.

Khai thác quá trình tiến hóa để tối ưu hóa và tạo ra enzyme, Arnold, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Sinh học và Hóa sinh Pauling tại Caltech, đã đưa ra một lĩnh vực kỹ thuật với các ứng dụng trong năng lượng thay thế, y học và các ngành công nghiệp đa dạng. Nghiên cứu của cô đã mang về cho cô giải thưởng Nobel Hóa học năm 2018, cũng như Giải thưởng Charles Stark Draper của Học viện Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (2011), Huy chương Công nghệ và Sáng tạo Quốc gia Hoa Kỳ (2011) và Giải thưởng Công nghệ Thiên niên kỷ (2016) .

Bài thuyết trình tại Hottel của cô, Arnold lưu ý ngay từ đầu, là lần đầu tiên cô nói chuyện với khán giả trực tiếp sau 18 tháng - một lý do để ăn mừng. Trong buổi nói chuyện “Đưa hóa học mới vào cuộc sống”, Arnold kể lại câu chuyện về nỗ lực không ngừng nghỉ của cô nhằm giải quyết những thách thức cấp bách toàn cầu bằng cách tạo ra các enzym tốt hơn - các protein xúc tác các phản ứng hóa học trong sinh học cũng như trong vô số sản phẩm và quy trình được sản xuất. Câu chuyện của cô ấy mô tả nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ của cô ấy, theo cách nói của cô ấy, “sáng tác” với DNA, sử dụng các công cụ của tự nhiên để tạo ra các enzyme “hoạt động tốt hơn những gì thiên nhiên đã cung cấp”.

Bài giảng được tài trợ bởi Khoa Kỹ thuật Hóa học và được giới thiệu bởi Trưởng khoa và Giáo sư Viện Paula T. Hammond.

Những khả năng khó hiểu

Arnold nằm trong nhóm các nhà khoa học tiên phong vào cuối những năm 1980 mong muốn tận dụng những cải tiến mới nhất về di truyền học. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách DNA mã hóa protein và cách chỉnh sửa DNA. Nhưng trong thời đại trước khi có điện toán thông lượng cao và cơ sở dữ liệu khổng lồ để phân loại protein, không phòng thí nghiệm nào có thể thao tác trình tự di truyền để chọn ra các đặc tính mong muốn trong khoảng thời gian thực tế. Arnold cho biết: “Một loại protein nhỏ điển hình gồm 300 axit amin dài với 20 axit amin khác nhau - không gian của các chuỗi có thể lớn hơn bất cứ thứ gì bạn có thể hiểu được”.

Arnold cho biết, thách thức mà các nhà khoa học phải đối mặt vào thời điểm đó khiến cô nhớ đến truyện ngắn “Thư viện của Babel” năm 1941 của Jorge Luis Borges. Trong bộ sưu tập sách khổng lồ này, thứ tự và nội dung hoàn toàn ngẫu nhiên, và “các thủ thư thất vọng khi tìm được một cuốn sách có câu văn có ý nghĩa chứ chưa nói đến một tác phẩm văn học,” cô nói. “Vì vậy, tôi ở đây, trợ lý giáo sư tại Caltech, trong thư viện chứa tất cả các loại protein có thể có này, và tôi phải tìm ra 'Moby Dick.'"

Để thoát khỏi vũng lầy này, Arnold đã lấy cảm hứng từ nhà sinh vật học người Anh John Maynard Smith, người đã đặt ra cơ chế hoạt động của chọn lọc tự nhiên trong các phân tử. Các đột biến thường xuyên xuất hiện trong trình tự DNA có thể dẫn đến sự thất bại của protein và sự kết thúc của dòng hoặc tạo ra một biến thể protein phù hợp hơn có thể tồn tại và sinh ra các thế hệ tương lai. Arnold nói: “Đây là một ý tưởng mạnh mẽ đối với tôi. “Nếu tôi là người tạo ra các phân tử, tôi sẽ quyết định xem ai phù hợp để tiếp nối thế hệ tiếp theo.” Đây là tia sáng đằng sau quá trình tiến hóa enzyme có định hướng - quá trình được Arnold phát triển để tạo ra các chất xúc tác tốt hơn.

Chọn lọc nhân giống enzyme

Để hiện thực hóa tầm nhìn của mình, Arnold đã tạo ra một nhà máy trong phòng thí nghiệm của mình được hướng dẫn bởi một phương pháp nghiêm ngặt. Cô đã lấy mẫu các enzyme quan tâm và xác định các chuỗi DNA có thể dẫn đến các chức năng được nâng cao. Sau đó, cô tạo ra các đột biến trong các trình tự này và sử dụng vi khuẩn chủ để tạo ra các enzyme có đặc tính mà cô sẽ đánh giá. Arnold lặp đi lặp lại quá trình này cho đến khi cô tìm được loại enzyme có những đặc tính mà cô mong muốn.

Kết quả của những năm đầu tiên cô theo đuổi quá trình tiến hóa enzyme theo chỉ đạo là một loại subtilisin mới, một loại enzyme có thể tìm thấy trong đất. (“Bốn tỷ năm chọn lọc tự nhiên đã mang lại cho chúng ta những loại protein mà bạn có thể cạo từ đế giày của mình,” Arnold lưu ý.) Subtilisin được thiết kế có thể hoạt động trong một dung môi khắc nghiệt, một đặc tính khiến nó cực kỳ hữu ích cho các ứng dụng hóa học. Phiên bản này cũng đáp ứng được mục tiêu bao quát trong nghiên cứu của Arnold: tạo ra các enzym dựa trên cơ sở sinh học để thay thế các enzyme do các nhà hóa học tổng hợp, vốn thường liên quan đến các vật liệu hủy hoại môi trường.

“Nó đơn giản, kỹ thuật tốt, một quy trình thuật toán dẫn đến các sản phẩm như enzyme tẩy giặt và mang lại cho tôi giải thưởng lớn nhất trong đời, đồng thời xuất hiện trên phim trường 'The Big Bang Theory' vào năm 2017.”

Mô phỏng thiên nhiên

Quá trình tiến hóa enzym có định hướng đã giải phóng một loạt hoạt động về các enzym được tối ưu hóa và tái sử dụng từ phòng thí nghiệm của Arnold, cũng như từ các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Xúc tác sinh học đang trở thành một ngành công nghiệp biến đổi, với sự phát triển của các enzyme dựa trên sinh học để thúc đẩy sự hình thành các liên kết hóa học trong các phân tử chứa các nguyên tố như halogen, flo hoặc clo. Vào năm 2016, phòng thí nghiệm của Arnold đã thiết kế một loại enzyme thường xúc tác cho các phản ứng sinh học quan trọng trong sinh vật sống để tạo ra liên kết carbon-silicon. Đó là lần đầu tiên. Arnold cho biết: “Chúng tôi có thể lập trình vi khuẩn để tạo ra những liên kết này với một đột biến thực hiện công việc tốt hơn 50 lần so với nhà hóa học giỏi nhất của con người… mà không gây ra sự tàn phá môi trường”.

Các phân tử được xây dựng xung quanh các liên kết hóa học như vậy đang có nhu cầu cao trong các ngành công nghiệp dược phẩm, nông nghiệp, chất bán dẫn và năng lượng tái tạo. Để đáp ứng nhu cầu, hóa học tổng hợp thông thường dựa vào các vật liệu nguy hiểm, điều kiện sản xuất khắc nghiệt và thường tốn kém. Arnold tin rằng phương pháp của cô mang lại giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn và ít tốn kém hơn.

Bà nói, bằng cách mô phỏng thiên nhiên “và quá trình mạnh mẽ đã tạo ra mọi sự sống, chúng ta có thể sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo dồi dào để tạo ra mọi thứ chúng ta muốn”. Arnold ca ngợi các sinh viên trên khán đài: “Thật là một điều tuyệt vời khi được làm việc cùng; hãy đến với những ý tưởng tuyệt vời!” Cuối cùng, cô ấy nói, “Nếu chúng ta có thể học cách sử dụng quy trình này, chúng ta có thể thích ứng, phát triển và đổi mới song song với hành tinh xinh đẹp của chúng ta.”

Hoyt C. Hottel từng là giảng viên của MIT từ năm 1928 đến năm 1968. Bài giảng Hoyt C. Hottel được thành lập vào năm 1985 để ghi nhận những đóng góp của ông cho Khoa Kỹ thuật Hóa học và sinh viên của khoa cũng như cho việc thành lập và chỉ đạo Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Nhiên liệu . Bài giảng nhằm mục đích thu hút các học giả nổi tiếng đến MIT để khuyến khích các thế hệ sinh viên tương lai. Hoạt động giảng dạy tiếp tục trở lại trong năm nay sau khi tạm dừng vào năm 2020 do đại dịch Covid-19.

PlatoAi. Web3 được mô phỏng lại. Khuếch đại dữ liệu thông minh.
Nhấn vào đây để truy cập.

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

tại chỗ_img

Tin tức mới nhất

tại chỗ_img