Naștere |
25 iulie 1956 Pittsburgh |
---|---|
Numele nașterii | Frances Hamilton Arnold |
Naţionalitate | american |
Instruire |
Liceul Taylor Allderdice ( ro ) Universitatea Princeton (până la1979) Universitatea din California la Berkeley (până la1985) |
Activități | Biochimist , inventator , profesor universitar , inginer , cercetător , profesor |
Tată | William Howard Arnold ( în ) |
Comun | Jay Bailey ( în ) (până la1994) |
Rudenie | William Howard Arnold ( în ) (bunic) |
Lucrat pentru | Institutul de Tehnologie din California |
---|---|
Domeniu | Inginerie Chimica |
Membru al |
Academia Americană de Arte și Științe Academia Națională de Inginerie a Statelor Unite (2000) Academia Națională de Medicină a Statelor Unite (2004) Academia Americană de Științe (2008) Societatea Regală (2020) |
Supervizor | Warren Harvey Blanch ( d ) |
Site-ul web | www.che.caltech.edu/faculty/arnold_f/index.html |
Premii |
Premiul Nobel pentru chimie (2018) |
Frances Hamilton Arnold , născută pe25 iulie 1956în Edgewood , este inginer în biochimie . Lucrările sale au câștigat numeroase premii, inclusiv Premiul Draper în 2011, Medalia Națională pentru Tehnologie și Inovație în 2013 și Premiul Nobel pentru Chimie în 2018.
Ea a dezvoltat metode de evoluție direcționată pentru a crea sisteme biologice utile, inclusiv enzime , căi metabolice , circuite noi pentru reglarea expresiei genelor și chiar organisme. Este profesor de inginerie chimică , bioinginerie și biochimie la Institutul de Tehnologie din California , unde studiază evoluția dirijată și aplicațiile sale în domeniile științei , medicinei , chimiei și energiei .
A obținut un BS în inginerie mecanică și inginerie și tehnologie spațială la Universitatea Princeton în 1979 și un doctorat în inginerie chimică la Universitatea California din Berkeley . Și-a făcut activitatea postdoctorală acolo în chimie și biofizică înainte de a se muta la universitatea privată din Caltech (Institutul de Tehnologie din California) în 1986 .
Frances Arnold, născută în Edgewood , SUA, este fiica lui William Howard Arnold, care a lucrat ca fizician nuclear , și a lui Josephine Inman Routheau. Cu cei patru frați ai săi, William Howard III, Edward, David și Thomas, îi plăcea să concureze.
A crescut în suburbiile din Pittsburgh , în special în Edgewood, Shadyside și Squirrel Hill.
A absolvit liceul Allderdice în 1974 .
Încă studentă la liceu, ea a făcut autostop la Washington pentru a demonstra și a protesta împotriva războiului din Vietnam . A locuit singură acolo, cu o slujbă de chelneriță la un club de jazz local și de șofer de taxi .
Frances Arnold a studiat ingineria mecanică și aerospațială la Universitatea Princeton , încheind acest ciclu de studii cu o diplomă în 1979 , înainte de a obține un doctorat în inginerie chimică la Universitatea din California, Berkeley în 1985 .. Lucrarea sa de teză , desfășurată în laboratorul lui Harvey Blanch, s-a axat pe tehnici de cromatografie de afinitate . După absolvire, și-a început viața de cercetare profesională cu cercetări postdoctorale la UC Berkeley și Caltech („ California Institute of Technology ”).
Frances Arnold locuiește în La Cañada Flintridge ( California ). A fost căsătorită cu inginerul biochimic James E. Bailey cu care a avut un fiu, James și care a murit de cancer în 2001. Apoi s-a recăsătorit cu astrofizicianul Andrew E. Lange și au avut doi fii, William și Joseph. Al doilea soț s-a sinucis în 2010, iar fiul ei William a murit într-un accident în 2016.
Ea a fost diagnosticată cu cancer de sân în 2005 și este una dintre supraviețuitorii cancerului.
Apare în episodul 18 din sezonul 12 din The Big Bang Theory unde își joacă propriul rol.
În 1996, a fost numită profesor la Caltech, în 2005, a cofondat compania de biocombustibili Gevo, în 2013, a cofondat compania Provivi, pentru biocontrol în agricultură. A fost aleasă la Academia Americană de Arte și Științe în 2011 . Frances Arnold are rara onoare de a fi ales în cele trei academii naționale din Statele Unite: Academia Națională de Științe, Academia Națională de Inginerie și Institutul de Medicină. Este membru al Asociației Americane pentru Avansarea Științei, Academiei Americane de Arte și Științe, Academiei Americane de Microbiologie, Institutului American de Inginerie Medicală și Biologică și membru internațional al Academiei Regale de Inginerie din Regatul Unit . În 2016, ea a sintetizat o enzimă capabilă să creeze o legătură carbon-siliciu
Membru al consiliului consultativ al Joint BioEnergy Institute și al burselor științifice și inginerești finanțate de Packard DOE , Frances Arnold face parte, de asemenea, în consiliul consultativ al președintelui Universității de Știință și Tehnologie King Abdullah (KAUST). În prezent este judecătoare pentru Premiul Reginei Elisabeta de Inginerie. A lucrat cu Schimbul de științe și divertisment al Academiei Americane de Științe pentru a ajuta scenaristii de la Hollywood să descrie cu acuratețe subiecte științifice.
În 2018, a primit Premiul Nobel pentru chimie pentru munca ei privind evoluția dirijată a enzimelor, un premiu pe care îl împărtășește cu britanicul Gregory Winter și americanul Georges P. Smith , pentru munca lor privind evoluția dirijată a peptidelor și a anticorpilor. prin fagi '.
24 octombrie 2019a fost numită membru al Academiei Pontifice de Științe de Papa Francisc .
În 1993, a produs o enzimă ( Subtilisin E) funcțională într-un mediu nenatural. Frances Arnold a fost printre primii care au folosit evoluția dirijată pentru a crea enzime (molecule biochimice - în principal proteine - care catalizează sau accelerează anumite reacții chimice) cu funcții îmbunătățite sau chiar complet noi.
Această strategie (evoluția direcționată) implică în mod repetat și mai mult sau mai puțin aleatoriu determinarea mutagenezei proteinelor (sau cofactorilor ) pentru a obține o „bibliotecă” și apoi screening-ul proteinelor produse pentru a testa, selecta și reține cele care par să aibă funcții. Acesta a fost folosit pentru a crea sau spori enzime, heme , căi metabolice , circuite de reglare genetică și chiar organisme. În natură, evoluția prin selecție naturală duce în special la proteine noi (inclusiv enzime) sau produse într-un loc nou sau într-un moment nou, unde se dovedesc a fi potrivite pentru îndeplinirea sarcinilor biologice pe care dorim să le vedem îndeplinite; dar această selecție naturală poate acționa numai asupra proteinelor care conțin variații de secvență (mutații) existente și durează de obicei mult timp.
Frances Arnold a ales să accelereze procesul provocând mutații în secvențele subiacente ale proteinelor, ale căror proprietăți le testează apoi. Dacă o mutație îmbunătățește funcția unei proteine modificate, operatorul poate repeta procesul pentru a-l optimiza în continuare. Această strategie are implicații largi, deoarece poate fi utilizată pentru a proiecta proteine pentru o mare varietate de aplicații.
Ea a descoperit astfel enzime utile pentru producerea de combustibili regenerabili și compuși farmaceutici care sunt mai puțin dăunători mediului.
Comparativ cu transgenezele practicate încă din anii 1980, un avantaj al evoluției dirijate este că mutațiile pot fi lăsate la întâmplare (complet aleatorii) pentru a descoperi potențialul neexplorat sau pot fi parțial ghidate pentru a ajunge la găsirea mutațiilor considerate eficiente și interesante. Numărul combinațiilor posibile de mutații este astronomic, dar Frances Arnold folosește progresele în biochimie pentru a se concentra pe introducerea mutațiilor într-una sau mai multe regiuni funcționale ale proteinei care sunt susceptibile de a avea cel mai mare potențial, evitând în același timp. să fie în cel mai bun caz neutru și cel mai rău dăunător (cum ar fi întreruperea plierii corecte a proteinelor , de exemplu întâlnită în prioni patogeni ).
Frances Arnold a fost primul chimist care a aplicat evoluția orientată pentru optimizarea enzimelor; lucrarea sa fundamentală (publicată în 1993) a folosit această metodă pentru a dezvolta o versiune a subtilizinei E activă într-un mediu extrem de artificial, inclusiv în special într-un solvent organic , dimetilformamida (DMF). Ea și-a desfășurat activitatea folosind patru runde secvențiale de mutageneză a genelor enzimei, exprimate de bacterii, prin PCR perturbatoare. După fiecare ciclu, ea a examinat capacitatea enzimelor de a hidroliza cazeina, o proteină din lapte, în prezența DMF, permițând bacteriilor să crească în cutii Petri care conțin agar pe bază de cazeină și DMF. Bacteria a secretat enzima și, dacă este funcțională, a hidrolizat cazeina și a produs un halou vizibil. Ea a selectat bacteriile care aveau cele mai mari halouri și și-au izolat ADN-ul pentru runde suplimentare de mutageneză. Ea a găsit o enzimă de 256 de ori mai activă în DMF decât cea originală.
Frances Arnold și-a perfecționat apoi metoda, aplicând diferite criterii de selecție pentru a „optimiza” enzimele pentru diferite funcții. A arătat că, deși majoritatea enzimelor naturale funcționează bine doar într-un interval îngust de temperatură, enzimele modificate pentru a funcționa la temperaturi mai calde și / sau mai reci pot fi produse prin evoluție direcționată. Ea a proiectat , de asemenea , enzimele îndeplinirea funcțiilor necunoscute în mediul natural, de exemplu , cu citocromul P450 , care realizează ciclopropanare și carbenă și nitrenă reacțiile de transfer . Astfel, ea a co-dezvoltat enzime din căile biosintetice, inclusiv cele implicate în producția de carotenoizi sau, pentru biocataliză , a inversat enantioselectivitatea hidantoinazei, astfel încât toată Escherichia coli să producă aminoacizi de tipul L-metionină .
Frances Arnold a aplicat aceste metode la producția de biocombustibili: a creat astfel bacterii care produc izobutanol ; ar putea fi produsă în bacteriile E. coli , dar traseul de producție necesită cofactorul NADPH, în timp ce E. coli produce un alt cofactor (NADH). Prin urmare, Frances Arnold a dezvoltat enzimele necesare folosind NADH în loc de NADPH, permițând astfel producerea de izobutanol. De asemenea, a produs enzime foarte specifice și eficiente, care pot înlocui anumite sinteze chimice într-un mod mai puțin poluant.
Ea și alții, folosind aceleași metode, au creat enzime care realizează sinteze chimice mai rapide, cu mai puțini produse secundare și uneori fără a fi nevoie de metale grele periculoase ca catalizatori.
Jeffrey Moore (un fost student al lui Frances Arnold) și colegii săi au folosit evoluția dirijată pentru a evolua o enzimă pentru a produce sitagliptin (un antidiuretic ). Frances Arnold a format și himere de proteine cu funcții unice. Ea a dezvoltat metode de calcul, inclusiv metoda SCHEMA care prezice modul în care părțile pot fi combinate fără a perturba structura lor mamă (astfel încât proteinele himerice să se plieze corect), apoi le-a aplicat metodele sale de evoluție direcționate pentru a produce mutații ulterioare ale acestor himere, pentru a le optimiza funcții.
Frances Arnold conduce un laborator la Caltech care continuă să studieze evoluția dirijată și aplicațiile sale în sinteza chimică ecologică și în serviciul energiilor verzi și alternative, în special cu dezvoltarea de enzime și microorganisme foarte active (enzime celulolitice și biosintetice) pentru a converti biomasă regenerabilă în substanțe chimice combustibile și / sau reactivi.