Frances Arnold

Frances Arnold Bild in Infobox. Biografie
Geburt 25. Juli 1956
Pittsburgh
Geburtsname Frances Hamilton Arnold
Staatsangehörigkeit amerikanisch
Ausbildung Taylor Allderdice High School ( de )
Princeton University (bis1979)
University of California in Berkeley (bis1985)
Aktivitäten Biochemiker , Erfinder , Universitätsprofessor , Ingenieur , Forscher , Lehrer
Vater William Howard Arnold ( in )
Gemeinsam Jay Bailey ( in ) (bis1994)
Verwandtschaft William Howard Arnold ( in ) (Großvater)
Andere Informationen
Arbeitete für Kalifornisches Institut der Technologie
Domain Chemieingenieurwesen
Mitglied von American Academy of Arts and Sciences
National Academy of Engineering der Vereinigten Staaten (2000)
Nationale medizinische Akademie der Vereinigten Staaten (2004)
Amerikanische Akademie der Wissenschaften (2008)
Königliche Gesellschaft (2020)
Supervisor Warren Harvey Blanch ( d )
Webseite www.che.caltech.edu/faculty/arnold_f/index.html
Auszeichnungen Nobelpreis für Chemie (2018)

Frances Hamilton Arnold , geboren am25. Juli 1956in Edgewood , ist Ingenieur für Biochemie . Seine Arbeiten wurden mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, darunter dem Draper Prize 2011, der National Medal for Technology and Innovation 2013 und dem Nobelpreis für Chemie 2018.

Sie hat Methoden der gerichteten Evolution entwickelt , um nützliche biologische Systeme zu schaffen, darunter Enzyme , Stoffwechselwege , neuartige Schaltkreise zur Regulierung der Genexpression und sogar Organismen. Sie ist Professorin für Chemieingenieurwesen , Bioingenieurwesen und Biochemie am California Institute of Technology , wo sie die gerichtete Evolution und ihre Anwendungen in den Bereichen Wissenschaft , Medizin , Chemie und Energie studiert .

Sie erhielt einen BS in der Technischen Mechanik und Maschinenbau und Raumfahrttechnik an der Universität Princeton in 1979 und eine Promotion in Chemieingenieurwesen an der University of California in Berkeley . Dort arbeitete sie als Postdoc in Chemie und Biophysik, bevor sie 1986 an die private Universität Caltech (California Institute of Technology) wechselte .

Kindliche Bildung

Frances Arnold, geboren in Edgewood , USA, ist die Tochter des als Kernphysiker tätigen William Howard Arnold und Josephine Inman Routheau. Mit ihren vier Brüdern William Howard III, Edward, David und Thomas liebte sie es, an Wettkämpfen teilzunehmen.

Sie wuchs in den Vororten von Pittsburgh auf , insbesondere in Edgewood, Shadyside und Squirrel Hill.

1974 machte sie ihren Abschluss an der Allderdice High School .

Noch ein Gymnasiast, sie per Anhalter nach Washington das demonstrieren und zu protestieren Vietnam - Krieg . Dort lebte sie allein mit einem Job als Cocktailkellnerin in einem lokalen Jazzclub und als Taxifahrerin .

Frances Arnold studierte Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Princeton University und schloss diesen Studienzyklus 1979 mit einem Diplom ab , bevor sie 1985 an der University of California, Berkeley in Chemieingenieurwesen promovierte . . Seine Dissertation , die er im Labor von Harvey Blanch angefertigt hat, konzentrierte sich auf Techniken der Affinitätschromatographie . Nach ihrem Abschluss begann sie ihr berufliches Forschungsleben mit einer Postdoc-Forschung an der UC Berkeley und am Caltech („  California Institute of Technology  “).

Privatleben

Frances Arnold lebt in La Cañada Flintridge ( Kalifornien ). Sie war mit dem Biochemie-Ingenieur James E. Bailey verheiratet, mit dem sie einen Sohn, James, hatte und der 2001 an Krebs starb. Dann heiratete sie den Astrophysiker Andrew E. Lange wieder und sie hatten zwei Söhne, William und Joseph. Ihr zweiter Ehemann beging 2010 Selbstmord und ihr Sohn William starb 2016 bei einem Unfall.

Sie wurde mit der Diagnose Brustkrebs in 2005 und ist eine der Krebsüberlebenden.

Sie erscheint in Episode 18 der 12. Staffel von The Big Bang Theory, wo sie ihre eigene Rolle spielt.

Professionelle Karriere

1996 wurde sie als Professorin am Caltech berufen, 2005 war sie Mitbegründerin des Biokraftstoffunternehmens Gevo, 2013 Mitbegründerin der Firma Provivi, für Biokontrolle in der Landwirtschaft. Sie wurde in die gewählte American Academy of Arts and Sciences in 2011 . Frances Arnold hat die seltene Ehre, in die drei nationalen Akademien der Vereinigten Staaten gewählt zu werden: die National Academy of Sciences, die National Academy of Engineering und das Institute of Medicine. Sie ist Mitglied der American Association for the Advancement of Science, der American Academy of Arts and Sciences, der American Academy of Microbiology, des American Institute of Medical and Biological Engineering und International Fellow der Royal Academy of Engineering of the Vereinigtes Königreich . 2016 synthetisierte sie ein Enzym, das eine Kohlenstoff-Silizium-Bindung herstellen kann

Als Mitglied des Beirats des Joint BioEnergy Institute und der von Packard DOE finanzierten Science and Engineering Fellowships ist Frances Arnold auch Mitglied des Beirats des Präsidenten der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). Derzeit ist sie Jurorin des Queen Elizabeth Engineering Prize. Sie arbeitete mit dem Science & Entertainment Exchange der American Academy of Sciences zusammen , um Hollywood- Drehbuchautoren zu helfen , wissenschaftliche Themen genau zu beschreiben.

2018 erhielt sie für ihre Arbeiten zur gerichteten Evolution von Enzymen den Nobelpreis für Chemie , den sie sich mit dem Briten Gregory Winter und dem Amerikaner Georges P. Smith für ihre Arbeiten zur gerichteten Evolution von Peptiden und Antikörpern teilt über Phagen '.

das 24. Oktober 2019sie wurde von Papst Franziskus zum Mitglied der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften ernannt .

Forschung

1993 stellte sie ein Enzym ( Subtilisin E) her, das in einer unnatürlichen Umgebung funktionsfähig war. Frances Arnold gehörte zu den ersten, die die gerichtete Evolution nutzten , um Enzyme (biochemische Moleküle – meist Proteine ​​– die bestimmte chemische Reaktionen katalysieren oder beschleunigen) mit verbesserten oder sogar völlig neuen Funktionen zu schaffen.

Diese Strategie (gerichtete Evolution) beinhaltet das wiederholte und mehr oder weniger zufällige Bewirken einer Mutagenese von Proteinen (oder Cofaktoren ), um eine "Bibliothek" zu erhalten, und dann das Screenen der produzierten Proteine, um diejenigen zu testen, auszuwählen und zu behalten, die scheinbar Funktionen haben. Es wurde verwendet, um Enzyme, Häme , Stoffwechselwege , genetische Regelkreise und sogar Organismen zu erzeugen oder zu verbessern . In der Natur führt die Evolution durch natürliche Selektion insbesondere zu neuen Proteinen (einschließlich Enzymen) oder produziert an einem neuen Ort oder zu einer neuen Zeit, wo sie sich als geeignet erweisen, die biologischen Aufgaben zu erfüllen, die wir uns wünschen. diese natürliche Selektion kann jedoch nur auf Proteine ​​wirken, die vorhandene Sequenzvariationen (Mutationen) enthalten und dauert in der Regel lange.

Frances Arnold entschied sich, den Prozess zu beschleunigen, indem sie Mutationen in den zugrunde liegenden Proteinsequenzen verursachte, deren Eigenschaften sie dann testete. Verbessert eine Mutation die Funktion eines modifizierten Proteins, kann der Operator den Vorgang wiederholen, um ihn weiter zu optimieren. Diese Strategie hat weitreichende Auswirkungen, da sie verwendet werden kann, um Proteine ​​für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwerfen.

So entdeckte sie Enzyme, die für die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe und weniger umweltschädlicher pharmazeutischer Verbindungen nützlich sind.

Gegenüber der seit den 1980er Jahren praktizierten Transgenese besteht ein Vorteil der gerichteten Evolution darin, dass Mutationen in manchen Fällen dem Zufall (völlig zufällig) überlassen werden können, um unerforschte Potenziale zu entdecken oder teilweise dazu angeleitet werden, am Ende als effektiv und interessant erachtete Mutationen zu finden. Die Zahl der möglichen Kombinationen von Mutationen ist astronomisch, aber Frances Arnold nutzt Fortschritte in der Biochemie, um sich darauf zu konzentrieren, Mutationen in eine oder mehrere funktionelle Regionen des Proteins einzuführen, die wahrscheinlich das größte Potenzial haben, und dies zu vermeiden bestenfalls neutral und im schlimmsten Fall schädlich sein (z. B. Störung der korrekten Proteinfaltung , wie sie beispielsweise in pathogenen Prionen vorkommt ).

Frances Arnold war die erste Chemikerin, die die orientierte Evolution zur Optimierung von Enzymen anwandte; seine grundlegende Arbeit (veröffentlicht 1993) verwendete diese Methode, um eine Version von Subtilisin E zu entwickeln, die in einer hochgradig künstlichen Umgebung aktiv ist, einschließlich insbesondere in einem organischen Lösungsmittel , Dimethylformamid (DMF). Sie führte ihre Arbeit mit vier aufeinanderfolgenden Mutageneserunden von Genen des Enzyms durch, die von Bakterien exprimiert wurden, über eine disruptive PCR . Nach jedem Zyklus untersuchte sie die Fähigkeit der Enzyme, Casein, ein Milchprotein, in Gegenwart von DMF zu hydrolysieren, indem sie die Bakterien in Petrischalen mit Agar auf der Basis von Casein und DMF wachsen ließ . Die Bakterien sezernierten das Enzym und hydrolysierten, wenn es funktionsfähig war, das Casein und erzeugten einen sichtbaren Hof. Sie wählte die Bakterien mit den größten Halos aus und isolierte ihre DNA für weitere Mutageneserunden. Sie fand in DMF ein Enzym, das 256-mal aktiver war als das Original.

Frances Arnold perfektionierte dann ihre Methode, indem sie verschiedene Auswahlkriterien anwendete, um Enzyme für verschiedene Funktionen zu „optimieren“. Es hat sich gezeigt, dass, während die meisten natürlichen Enzyme nur in einem engen Temperaturbereich gut funktionieren, Enzyme, die so modifiziert sind, dass sie bei wärmeren und/oder kälteren Temperaturen funktionieren, durch gerichtete Evolution hergestellt werden können. Sie hat auch Enzyme entwickelt, die in der natürlichen Umgebung unbekannte Funktionen erfüllen, zum Beispiel mit Cytochrom P450, das Cyclopropanierung und Carben- und Nitren- Transferreaktionen durchführt . So hat sie Enzyme in den Biosynthesewegen mitentwickelt, einschließlich derer, die an der Produktion von Carotinoiden beteiligt sind , oder, für die Biokatalyse , die Enantioselektivität der Hydantoinase umgekehrt, sodass alle Escherichia coli Aminosäuren vom Typ L-Methionin produzieren .

Frances Arnold wandte diese Methoden auf die Produktion von Biokraftstoffen an: So schuf sie Bakterien, die Isobutanol produzieren  ; es könnte in E. coli- Bakterien produziert werden , aber der Produktionsweg erforderte den NADPH-Cofaktor, während E. coli einen anderen Cofaktor (NADH) herstellt. Frances Arnold hat daher die notwendigen Enzyme mit NADH anstelle von NADPH entwickelt und ermöglicht so die Herstellung von Isobutanol. Es hat auch hochspezifische und effiziente Enzyme hergestellt, die bestimmte chemische Synthesen weniger umweltbelastend ersetzen können.

Sie und andere schufen mit denselben Methoden Enzyme, die schnellere chemische Synthesen mit weniger Nebenprodukten und manchmal ohne die Notwendigkeit gefährlicher Schwermetalle als Katalysatoren durchführten.

Jeffrey Moore (ein ehemaliger Schüler von Frances Arnold) und seine Kollegen nutzten die gerichtete Evolution, um ein Enzym zur Produktion von Sitagliptin (einem Antidiuretikum ) zu entwickeln. Frances Arnold bildete auch Chimären von Proteinen mit einzigartigen Funktionen. Sie entwickelte Computermethoden, darunter die SCHEMA- Methode, die vorhersagt, wie Teile kombiniert werden können, ohne ihre Elternstruktur zu stören (so dass sich chimäre Proteine ​​richtig falten), dann wandte sie ihre Methoden der gerichteten Evolution darauf an, um nachfolgende Mutationen dieser Chimären zu erzeugen, um ihre Funktionen.

Frances Arnold leitet ein Labor am Caltech, das die gerichtete Evolution und ihre Anwendungen in der umweltfreundlichen chemischen Synthese und im Dienste grüner und alternativer Energien weiter untersucht , insbesondere die Entwicklung hochaktiver Enzyme und Mikroorganismen (Enzyme Cellulolytika und Biosynthese) zur Umwandlung erneuerbare Biomasse in Kraftstoffchemikalien und / oder Reagenzien.

Hinweise und Referenzen

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