Фрэнсис Арнольд - Frances Arnold

Фрэнсис Арнольд
Фрэнсис Арнольд, сопредседатель PCAST ​​(обрезано) .jpg
Сопредседатель Совета советников президента по науке и технологиям
Вступление в должность
20 января 2021 г.
Служение с Марией Зубер
Президент Джо Байден
Предшествует Позиция создана
Личная информация
Родился
Фрэнсис Гамильтон Арнольд

( 1956-07-25 )25 июля 1956 г. (65 лет)
Эджвуд, Пенсильвания , США
Супруг (а)
(разведена)
Сожитель Эндрю Э. Ланге (1994–2010)
Образование Принстонский университет ( BS )
Калифорнийский университет, Беркли ( MS , PhD )
Награды Медаль Гарвана-Олина (2005 г.)
Премия FASEB за выдающиеся достижения в области науки (2007 г.)
Премия Дрейпера (2011 г.)
Национальная медаль в области технологий и инноваций (2013 г.)
Премия в области технологий тысячелетия (2016 г.)
Премия Саклера в исследованиях конвергенции (2017 г.)
Нобелевская премия по химии (2018 г.)
Научная карьера
Поля Химическая инженерия
Биоинженерия
Биохимия
Учреждения Калифорнийский технологический институт
Тезис Дизайн и масштабирование аффинных разделений  (1985)
Докторант Харви В. Бланч
Докторанты Кристофер Фойгт
Хуйминь Чжао

Фрэнсис Гамильтон Арнольд (родилась 25 июля 1956 г.) - американский инженер-химик и лауреат Нобелевской премии . Она - профессор химической инженерии, биоинженерии и биохимии Линуса Полинга в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт). В 2018 году она была удостоена Нобелевской премии по химии за новаторское использование направленной эволюции для создания ферментов .

С января 2021 года , она служит в качестве внешнего сопредседателя президента Джо Байдена «s Совета советников по науке и технике (PCAST).

ранняя жизнь и образование

Арнольд - дочь Жозефины Инман (урожденная Руто) и физика-ядерщика Уильяма Ховарда Арнольда и внучка генерал-лейтенанта Уильяма Ховарда Арнольда . Она выросла в пригороде Питтсбурга Эджвуд и Питтсбургских районах Шедисайд и Сквиррел-Хилл , окончила городскую среднюю школу Тейлор Олдердис в 1974 году. Будучи старшеклассницей, она приехала автостопом в Вашингтон, округ Колумбия, чтобы выразить протест против войны во Вьетнаме, и жила сама. работает официанткой в ​​местном джаз-клубе и таксистом.

Та же независимость, которая заставила Арнольда переехать из дома, в котором она детства была подростком, также привела к большому количеству пропусков в школу и низким оценкам. Несмотря на это, она набрала почти идеальные результаты на стандартных тестах и ​​была полна решимости поступить в Принстонский университет, альма-матер ее отца. Она подала документы на специальность «Машиностроение» и была принята. Мотивация Арнольд к изучению инженерии, как говорилось в ее интервью с Нобелевской премией, заключалась в том, что «[машиностроение] было самым легким вариантом и самым легким способом поступить в Принстонский университет в то время, и я никогда не уезжал».

Арнольд закончил в 1979 году с BS степень в области механической и аэрокосмической техники из Принстонского университета , где она сосредоточена на исследовании солнечной энергии. В дополнение к курсам, необходимым для ее специализации, она посещала курсы экономики, русского и итальянского языков и мечтала стать дипломатом или генеральным директором, даже рассматривая возможность получения ученой степени в области международных отношений. После второго года обучения она взяла годичный отпуск из Принстона, чтобы поехать в Италию и поработать на заводе по производству деталей для ядерных реакторов , а затем вернулась, чтобы завершить учебу. Вернувшись в Принстон, она начала учиться в Центре исследований энергетики и окружающей среды - группе ученых и инженеров, в то время возглавляемой Робертом Соколовым , работающих над разработкой устойчивых источников энергии - теме, которая станет предметом ее дальнейшей работы.

После окончания Принстона в 1979 году Арнольд работал инженером в Южной Корее и Бразилии, а также в Исследовательском институте солнечной энергии в Колорадо . В научно - исследовательском институте солнечной энергии (ныне Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), она работала по проектированию солнечных энергетических объектов для удаленных мест и помогли записи Организации Объединенных Наций (ООН) позиционных документов .

Затем она поступила в Калифорнийский университет в Беркли , где получила степень доктора философии. получил степень в области химического машиностроения в 1985 году и глубоко заинтересовался биохимией. Ее дипломная работа, выполненная в лаборатории Харви Уоррена Бланча, была посвящена методам аффинной хроматографии . Арнольд не имел химического образования до получения докторской степени в области химического машиностроения. В течение первого года обучения в докторантуре. В ходе курсовой работы аспирантура Калифорнийского университета в Беркли потребовала, чтобы она прошла курс химии на бакалавриате.

Карьера

После получения докторской степени Арнольд завершила докторское исследование по биофизической химии в Беркли. В 1986 году она присоединилась к Калифорнийскому технологическому институту в качестве приглашенного научного сотрудника. В 1986 году она была назначена доцентом, в 1992 году - доцентом, а в 1996 году - профессором. В 2000 году она была назначена профессором химической инженерии, биоинженерии и биохимии им. Дика и Барбары Дикинсон, а ее нынешняя должность - профессором химии Линуса Полинга. Инженерия, биоинженерия и биохимия в 2017 году. В 2013 году она была назначена директором Центра биоинженерии Донны и Бенджамина М. Розен в Калифорнийском технологическом институте.

Арнольд работал в научном совете Института Санта-Фе с 1995 по 2000 год. Она была членом Консультативного совета Объединенного института биоэнергетики . Арнольд возглавляет Консультативный совет Packard Fellowships in Science and Engineering. Она работала в Консультативном совете президента Университета науки и технологий имени короля Абдаллы ( КАУСТ ). Она работала судьей премии Королевы Елизаветы в области инженерии и работала с отделом обмена наукой и развлечениями Национальной академии наук, чтобы помочь голливудским сценаристам точно описывать научные темы.

В 2000 году Арнольд был избран членом Национальной инженерной академии за интеграцию основ молекулярной биологии, генетики и биоинженерии на благо науки о жизни и промышленности.

Она является соавтором более 40 патентов США. В 2005 году она стала соучредителем Gevo, Inc. , компании по производству топлива и химикатов из возобновляемых источников. В 2013 году она и двое ее бывших студентов, Питер Майнхольд и Педро Коэльо, основали компанию Provivi для исследования альтернатив пестицидам для защита растений. С 2016 года она входит в совет директоров геномной компании Illumina Inc.

В 2019 году она вошла в совет директоров Alphabet Inc. , что сделало Арнольд третьей женщиной-директором материнской компании Google.

В январе 2021 года она была назначена внешним сопредседателем Совета советников президента Джо Байдена по науке и технологиям (PCAST). Она работает с переходной группой Байдена, чтобы помочь определить ученых на должности в администрации. Она говорит, что ее основная задача сейчас - помочь выбрать дополнительных членов PCAST ​​и приступить к работе по определению научной повестки дня для группы. Она заявила: «Мы должны восстановить важность науки в разработке политики, в принятии решений всем правительством. Нам необходимо восстановить доверие американского народа к науке ... Я думаю, что PCAST ​​может сыграть в этом благотворную роль ».

Исследовать

Арнольду приписывают новаторство в использовании направленной эволюции для создания ферментов (биохимических молекул - часто белков - которые катализируют или ускоряют химические реакции) с улучшенными и / или новыми функциями. Направленная эволюция стратегия включает в себя итеративные раунды мутагенеза и скрининга белков с улучшенными функциями и используются для создания полезных биологических систем , в том числе ферментов , метаболических путей , генетические регуляторных контуров и организмов. В природе эволюция путем естественного отбора может привести к появлению белков (включая ферменты), хорошо подходящих для выполнения биологических задач, но естественный отбор может воздействовать только на существующие вариации последовательности (мутации) и обычно происходит в течение длительных периодов времени. Арнольд ускоряет процесс, вводя мутации в основные последовательности белков; Затем она проверяет влияние этих мутаций. Если мутация улучшает функцию белков, она может продолжать итерацию процесса для дальнейшей оптимизации. Эта стратегия имеет широкие последствия, поскольку ее можно использовать для создания белков для самых разных приложений. Например, она использовала направленную эволюцию для разработки ферментов, которые можно использовать для производства возобновляемого топлива и фармацевтических соединений с меньшим вредом для окружающей среды.

Одно из преимуществ направленной эволюции состоит в том, что мутации не обязательно должны быть полностью случайными; вместо этого они могут быть достаточно случайными, чтобы раскрыть неизведанный потенциал, но не настолько случайными, чтобы быть неэффективными. Число возможных комбинаций мутаций астрономическое, но вместо того, чтобы просто случайным образом попытаться проверить как можно больше, она объединяет свои знания биохимии, чтобы сузить варианты, сосредоточившись на введении мутаций в те области белка, которые, вероятно, будут иметь наибольшее количество. положительно влияет на активность и избегает областей, в которых мутации, вероятно, будут в лучшем случае нейтральными, а в худшем - пагубными (например, нарушение правильного сворачивания белков).

Арнольд применил направленную эволюцию к оптимизации ферментов (хотя и не первый, кто сделал это, см., Например, Барри Холла). В своей основополагающей работе, опубликованной в 1993 году, она использовала этот метод для создания версии субтилизина Е, который был активен в органическом растворителе ДМФ , в крайне неестественной среде. Она выполнила работу, используя четыре последовательных раунда мутагенеза гена фермента , экспрессируемого бактериями, с помощью подверженной ошибкам ПЦР . После каждого раунда она проверяла способность ферментов гидролизовать казеин молочного белка в присутствии ДМФ путем выращивания бактерий на чашках с агаром, содержащим казеин и ДМФ. Бактерии выделяли фермент, и, если бы он был функциональным, он бы гидролизовал казеин и образовывал видимый ореол. Она выбрала бактерии, у которых были самые большие ореолы, и выделила их ДНК для дальнейших раундов мутагенеза. Используя этот метод, она разработала фермент, который имел в 256 раз большую активность в ДМФ, чем исходный.

Она доработала свои методы и применила их в соответствии с различными критериями отбора, чтобы оптимизировать ферменты для различных функций. Она показала, что, в то время как естественные ферменты, как правило, хорошо функционируют в узком температурном диапазоне, ферменты могут быть получены с помощью направленной эволюции, которые могут функционировать как при высоких, так и при низких температурах. В дополнении к улучшению существующих функций природных ферментов, Арнольд разработал ферменты , которые выполняют функции , для которых не существует никакого предыдущий специфический фермент, например, когда она превратилась цитохром Р450 проводить циклопропанирование и карбеновые и нитрена передачей реакции.

В дополнение к развитию отдельных молекул, она использовала направленную эволюцию для совместной эволюции ферментов в путях биосинтеза, таких как те, которые участвуют в производстве каротиноидов и L-метионина в Escherichia coli (который может использоваться как целая клетка). биокатализатор). Она применила эти методы для производства биотоплива . Например, она развила бактерии для производства изобутанола для биотоплива ; он может продуцироваться в бактериях E. coli , но для этого пути продуцирования требуется кофактор NADPH , тогда как E. coli производит кофактор NADH . Чтобы обойти эту проблему, она разработала ферменты метаболического пути, чтобы использовать НАДН вместо НАДФН, что позволило производить изобутанол.

Арнольд также использовал направленную эволюцию для создания высокоспецифичных и эффективных ферментов, которые можно использовать в качестве экологически безопасных альтернатив некоторым промышленным методам химического синтеза. Она и другие, использующие ее методы, разработали ферменты, которые могут проводить реакции синтеза быстрее, с меньшим количеством побочных продуктов и в некоторых случаях устраняя потребность в опасных тяжелых металлах .

Она использует структурно-управляемую рекомбинацию белков, чтобы объединить части разных белков для образования химер белков с уникальными функциями. Она разработала вычислительные методы, такие как SCHEMA , чтобы предсказать, как части могут быть объединены без нарушения их родительской структуры, так что химеры будут правильно складываться, а затем применяет направленную эволюцию для дальнейшего изменения химер для оптимизации их функций.

В Калифорнийском технологическом институте Арнольд руководит лабораторией, которая продолжает изучать направленную эволюцию и ее применения в экологически безопасном химическом синтезе и зеленой / альтернативной энергии, включая разработку высокоактивных ферментов (целлюлолитические и биосинтетические ферменты) и микроорганизмов для преобразования возобновляемой биомассы в топливо и химикаты. Статья, опубликованная в журнале Science в 2019 году совместно с Инха Чо и Чжи-Цзюнь Цзя, была отозвана 2 января 2020 года, так как результаты оказались невоспроизводимыми.

По данным Google Scholar, по состоянию на 2021 год Арнольд имеет индекс Хирша 135 .

Личная жизнь

Арнольд живет в Ла-Каньяда-Флинтридж, Калифорния . Она была замужем за Джеймсом Э. Бейли, который умер от рака в 2001 году. У них был сын по имени Джеймс Бейли. У самой Арнольд диагностировали рак груди в 2005 году, и она лечилась 18 месяцев.

Арнольд состоял в гражданском браке с астрофизиком Калифорнийского технологического института Эндрю Э. Ланге , начиная с 1994 года, и у них было двое сыновей, Уильям и Джозеф. Ланге покончил жизнь самоубийством в 2010 году, а один из их сыновей, Уильям Ланге-Арнольд, погиб в результате несчастного случая в 2016 году.

Ее хобби - путешествия, подводное плавание с аквалангом, катание на лыжах, катание на мотоциклах и пешие прогулки.

Почести и награды

Работа Арнольда была отмечена многими наградами, включая Нобелевскую премию по химии 2018 года, премию Дрейпера Национальной инженерной академии (NAE) 2011 года (первая женщина, получившая ее) и Национальную медаль за технологии и инновации 2011 года . Она была избрана членом Американской академии искусств и наук в 2011 году и введена в Зал славы национальных изобретателей в 2014 году. Она была первой женщиной, избранной во все три национальные академии США - Национальную инженерную академию (2000 год). ), Национальной академии медицины , ранее называвшейся Институтом медицины (2004 г.), и Национальной академии наук (2008 г.).

Арнольд является членом Американской ассоциации развития науки , Американской академии искусств и наук , Американской академии микробиологии , Американского института медицинской и биологической инженерии и международного научного сотрудника Королевской инженерной академии Великобритании в 2018 году.

В 2016 году она стала первой женщиной, получившей премию Millennium Technology Prize , которую она получила за новаторство в направленной эволюции . В 2017 году Арнольд был удостоен премии Раймонда и Беверли Саклер в области исследований конвергенции Национальной академии наук , которая отмечает выдающийся вклад в исследования конвергенции.

В 2018 году она была удостоена Нобелевской премии по химии за свою работу в области направленной эволюции, что сделало ее пятой женщиной, получившей эту награду за 117 лет своего существования, и первой женщиной в Америке. Она получила один половину доли премии, с другой половиной совместно присужден Джордж Смит и Грегори Зима «для фагового дисплея из пептидов и антител .» Она первая женщина-выпускница Принстона, получившая Нобелевскую премию, и первый человек, получивший степень бакалавра в Принстоне (мужчина или женщина), получивший Нобелевскую премию в одной из категорий естественных наук (химия, физика и физиология или медицина). В ноябре 2018 года она была включена в список 100 женщин BBC. 24 октября 2019 года Папа Франциск назначил ее членом Папской академии наук .

Появления в популярных СМИ

Она изобразила себя в 18-м эпизоде ​​«Накопление лауреатов» 12-го сезона сериала «Теория большого взрыва» . В сентябре 2021 года, в день 10-летия PME UChicago, она в шутку заявила, что это появление было самой большой наградой в ее жизни.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки