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在麻省理工學院,諾貝爾獎獲得者弗朗西斯·阿諾德 (Frances Arnold) 描述了進化帶來的創新

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“作為工程師,我們想要創造的東西不一定存在於地球上,或者可能從未存在過,但可以解決實際問題,”說 弗朗西斯·H·阿諾德 在 2021 月 1 日舉行的 XNUMX 年 Hoyt C. Hottel 化學工程講座上。

加州理工學院化學工程、生物工程和生物化學教授阿諾德利用進化過程來優化和創造酶,開創了一個工程領域,可應用於替代能源、醫學和各種行業。 她的研究為她贏得了 2018 年諾貝爾化學獎,以及美國國家工程院的查爾斯·斯塔克·德雷珀獎(2011 年)、美國國家技術與創新獎章(2011 年)和千年技術獎(2016 年) .

阿諾德一開始就指出,她的 Hottel 演講是她 18 個月以來第一次與現場觀眾交談——值得慶祝。 在“將新化學帶入生活”的演講中,阿諾德講述了她不懈追求通過更好的酶來應對緊迫的全球挑戰的故事——蛋白質在生物學和大量製造產品和過程中催化化學反應。 她的敘述描述了她數十年的努力,用她的話來說,用 DNA“合成”,利用大自然的工具來產生“比大自然提供的效果更好的酶”。

講座由化學工程系主辦,系主任、研究所教授Paula T. Hammond介紹。

難以理解的可能性

阿諾德是 1980 年代後期科學家的先鋒,渴望利用遺傳學的最新創新。 研究人員已經弄清楚了 DNA 如何編碼蛋白質,以及如何編輯 DNA。 但在高通量計算和用於編目蛋白質的海量數據庫之前的時代,沒有實驗室可以操縱基因序列以在現實的時間尺度上選擇所需的特性。 “一個典型的小蛋白質長 300 個氨基酸,有 20 個不同的氨基酸——可能序列的空間比你能理解的任何東西都要大,”阿諾德說。

阿諾德說,當時科學家面臨的挑戰讓她想起了豪爾赫·路易斯·博爾赫斯 1941 年的短篇小說“巴別圖書館”。 她說,在這個龐大的書籍收藏中,順序和內容完全是隨機的,“圖書館員對找到一本書有一個有意義的句子感到絕望,更不用說文學作品了,”她說。 “所以我在這裡,加州理工學院的助理教授,在這個包含所有可能蛋白質的圖書館,我必須找到‘白鯨記’。”

為了擺脫這個泥潭,阿諾德從英國生物學家約翰梅納德史密斯那裡獲得了靈感,他闡述了自然選擇在分子中的作用。 DNA 序列中經常出現的突變可能導致蛋白質失敗和該系的末端,或者導致更合適的蛋白質變體存活下來並可以產生後代。 “這對我來說是一個強有力的想法,”阿諾德說。 “如果我是分子的培育者,我會決定誰適合繼續下一代。” 這是定向酶進化背後的火花——由阿諾德開發的用於設計更好催化劑的過程。

選擇性育種酶

為了實現她的願景,阿諾德在她的實驗室中按照嚴格的方法創建了一個工廠。 她對感興趣的酶進行了採樣,並確定了可能導致功能增強的 DNA 序列。 然後她在這些序列中產生了突變,並使用宿主細菌創造了她將評估其特性的酶。 阿諾德一次又一次地重複這個過程,直到她找到了一種具有她所尋求的特性的酶。

她最初幾年追求定向酶進化的結果是一種新型枯草桿菌蛋白酶,一種可以在泥土中找到的酶。 (“XNUMX 億年的自然選擇為我們提供了可以從鞋底刮下的蛋白質,”阿諾德指出。)經過改造的枯草桿菌蛋白酶可以在苛刻的溶劑中發揮作用,這一特性使其在化學應用中非常有用。 這個版本還滿足了阿諾德研究的一個總體目標:製造基於生物的酶來取代化學家合成的酶,這些酶通常涉及破壞環境的材料。

“這是一個簡單、良好的工程,一個算法過程,導致了洗衣粉酶等產品,給我帶來了我一生中最大的榮譽,並在 2017 年出現在《生活大爆炸》片場。”

模仿自然

定向酶進化激發了 Arnold 實驗室以及世界各地實驗室對優化和重新利用的酶的大量活性。 生物催化正在成為一個變革性行業,隨著基於生物的酶的擴散,以誘導在含有鹵素、氟或氯等元素的分子中形成化學鍵。 2016 年,阿諾德的實驗室設計了一種酶,該酶通常催化生物中重要的生物反應,形成碳矽鍵。 這是第一次。 “我們可以對細菌進行編程,使其與一個突變體產生這些鍵,該突變體的作用比人類最好的化學家好 50 倍……而且不會破壞環境,”阿諾德說。

圍繞此類化學鍵構建的分子在製藥、農業、半導體和可再生能源行業中需求量很大。 為了滿足需求,傳統的合成化學依賴於危險材料、苛刻且通常成本高昂的製造條件。 阿諾德相信她的方法提供了一種更環保、更便宜的替代方案。

她說,通過模仿自然“以及產生所有生命的強大過程”,“我們可以利用豐富的可再生資源來製造我們想要的一切。” 阿諾德對觀眾中的學生表示歡迎:“和他們一起工作真是太棒了; 帶著絕妙的想法進來!” 最後,她說,“如果我們能學會如何使用這個過程,我們就能適應、進化和創新,與我們美麗的星球同步。”

Hoyt C. Hottel 於 1928 年至 1968 年擔任麻省理工學院教員。 Hoyt C. Hottel Lectureship 成立於 1985 年,以表彰他對化學工程系及其學生的貢獻,以及對燃料研究實驗室的建立和指導. 講座旨在吸引傑出的學者到麻省理工學院,以激勵未來的學生。 在 2020 年 Covid-19 大流行期間暫停後,該講座於今年恢復。

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資料來源:https://news.mit.edu/2021/innovation-evolution-frances-arnold-1022

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