Войти
| Фрэнсис Арнольд | |
|---|---|
 Арнольд во время Нобелевской пресс-конференции в Стокгольме, декабрь 2018 г. | |
| Родился | Фрэнсис Гамильтон Арнольд. (1956-07-25) 25 июля 1956 (возраст 64). Эджвуд, Пенсильвания, США |
| Образование | Принстонский университет (BS ). Калифорнийский университет, Беркли (MS, доктор философии ) |
| Известен | Направленной эволюцией ферментов |
| Супруг (-и) | Джеймс Э. Бейли (разведен) |
| Партнер ( s) | Эндрю Э. Ланге (1994–2010) |
| Награды | Медаль Гарвана – Олина (2005). Премия FASEB за выдающиеся достижения в науке (2007). Премия Дрейпера (2011). Национальная медаль за технологии и инновации (2013). Премия Millennium Technology Prize (2016). Премия Саклера в исследованиях конвергенции (2017). Нобелевская премия по химии (2018) |
| Научная карьера | |
| Области деятельности | Химическая инженерия. Биоинженерия. Биохимия |
| Учреждения | Ca lifornia Institute of Technology |
| Диссертация | Разработка и расширение аффинного разделения (1985) |
| Докторант | Харви Бланч |
| Докторанты | Кристофер Фойгт. Хуйминь Чжао |
Фрэнсис Гамильтон Арнольд (родился 25 июля 1956 г.) - американский инженер-химик и лауреат Нобелевской премии. Она является профессором 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.
Арнольд - дочь Жозефины Инман (урожденная Руто) и физика-ядерщика Уильяма Ховарда Арнольда, а также внучка генерал-лейтенанта Уильяма Говарда Арнольда. Она выросла в Питтсбурге пригороде Эджвуд и в районах Питтсбурга Шедисайд и Белка Хилл, окончив городскую школу Тейлор Аллдердис. Средняя школа в 1974 году. В старшей школе она автостопом приехала в Вашингтон, округ Колумбия в знак протеста против войны во Вьетнаме, и жила сама, работая официанткой в местном джазовом клубе. клуб и водитель такси.
Арнольд окончил в 1979 году степень бакалавра в механике и аэрокосмической инженерии в Принстонском университете, где она сосредоточилась на исследованиях 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, производившем детали ядерного реактора, а затем вернулась, чтобы закончить учебу. Вернувшись в Принстон, она начала учиться в Принстонском центре энергетических и экологических исследований - группе ученых и инженеров, в то время возглавляемой Робертом Соколовым, которые работали над разработкой устойчивых источников энергии, и эта тема стала предметом обсуждения. Ключевое направление более поздних работ Арнольда.
После окончания Принстона в 1979 году Арнольд работал инженером в Южной Корее и Бразилии, а также в Исследовательском институте солнечной энергии в Колорадо. В Исследовательском институте солнечной энергии (ныне Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии) она работала над проектированием объектов солнечной энергии для удаленных мест и помогла написать United Nations (UN) позиционные документы.
Затем она поступила в в Калифорнийском университете в Беркли, где она получила степень доктора философии в области химической инженерии в 1985 году и глубоко заинтересовалась биохимией этого процесса. Ее диссертационная работа, выполненная в лаборатории Харви Уоррена Бланча, посвящена исследованию методов аффинной хроматографии.
После получения докторской степени Арнольд завершила докторское исследование. по биофизической химии в Беркли. В 1986 году она поступила в Калифорнийский технологический институт 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 входила в научный совет Института Санта-Фе из 1995–2000 гг. Она является членом Консультативного совета Объединенного института биоэнергетики и стипендий Packard в области науки и техники, а также входит в состав Консультативного совета президента Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST ). В настоящее время она работает судьей Премии Королевы Елизаветы в области инженерии. Она работала с Национальной академией наук Обмен наукой и развлечениями, чтобы помочь голливудским сценаристам точно изображать научные темы.
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 под названием Provivi изучить альтернативы пестицидам для защиты растений. Она была членом правления компании genomics Illumina Inc. с 2016 года.
В 2019 году она вошла в совет директоров Alphabet Inc., что делает Арнольд третьей женщиной-директором материнской компании Google.
Арнольду приписывают пионерское использование направленной эволюции для создания ферментов (биохимических молекул, часто белков, которые катализируют, или ускорение химических реакций) с улучшенными и / или новыми функциями. Стратегия направленной эволюции включает итерационные раунды мутагенеза и скрининга белков с улучшенными функциями, и она использовалась для создания полезных биологических систем, включая ферменты, метаболические пути, генетические регуляторные цепи и организмы. В природе эволюция посредством 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 повторять процесс, чтобы оптимизировать его дальше. Эта стратегия имеет широкие последствия, поскольку ее можно использовать для создания белков для самых разных приложений. Например, она использовала направленную эволюцию для создания ферментов, которые можно использовать для производства возобновляемого топлива и фармацевтических соединений с меньшим вредом для окружающей среды.
Одним из преимуществ направленной эволюции является то, что мутации не обязательно быть полностью случайным; вместо этого они могут быть достаточно случайными, чтобы раскрыть неизведанный потенциал, но не настолько случайными, чтобы быть неэффективными. Количество возможных комбинаций мутаций астрономическое, но вместо того, чтобы просто случайным образом попытаться проверить как можно больше, Арнольд объединяет свои знания биохимии, чтобы сузить варианты, сосредоточившись на введении мутаций в те области белка, которые, вероятно, будут иметь наибольшее количество положительный эффект на активность и избегание областей, в которых мутации, вероятно, будут в лучшем случае нейтральными, а в худшем - пагубными (например, нарушение правильного сворачивания белков).
Арнольд применил направленную эволюцию для оптимизации ферментов (хотя и не первым, кто сделает это, см., например, Барри Холл). В своей основополагающей работе, опубликованной в 1993 году, она использовала этот метод для создания версии субтилизина E, которая была активна в крайне неестественной среде, а именно в органическом растворителе DMF. Она выполнила работу, используя четыре последовательных раунда мутагенеза фермента гена, экспрессируемого бактериями, с помощью подверженной ошибкам ПЦР. После каждого раунда она проверяла ферменты на их способность гидролизовать молочный белок казеин 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.
Следуя своей плодотворной работе, Арнольд продолжила развитие своих методов и применила их с различными критериями отбора, чтобы оптимизировать ферменты для разные функции. 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. Помимо улучшения существующих функций природных ферментов, Арнольд разработал ферменты, которые выполняют функции, для которых ранее не существовало специфических ферментов, например, когда она эволюционировала цитохромом P450 для осуществления циклопропанирования и реакции переноса карбена и нитрена.
Помимо эволюции отдельных молекул, Арнольд использовал направленную эволюцию для совместной эволюции ферментов в путях биосинтеза, таких как те, которые участвуют в производство каротиноидов и L-метионина в Escherichia coli (которая может быть использована в качестве биокатализатора целых клеток).
Арнольд применил эти методы для производства биотоплива. Например, она развила бактерии для производства биотоплива изобутанол ; его можно продуцировать в бактериях E. coli, но для этого пути продуцирования требуется кофактор NADPH, тогда как E. coli производит кофактор NADH. Чтобы обойти эту проблему, Арнольд разработал ферменты в этом пути, чтобы использовать НАДН вместо НАДФН, что позволило производить изобутанол.
Арнольд также использовал направленную эволюцию для разработки высокоспецифичных и эффективных ферментов, которые можно использовать в качестве экологически чистые альтернативы некоторым методам промышленного 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 необходимость в опасных тяжелых металлах. Метод был принят некоторыми группами в фармакологии. Например, один из бывших учеников Арнольда, Джеффри Мур, и его коллеги использовали направленную эволюцию, чтобы разработать фермент для производства лекарства от диабета цитаглиптин (Januvia).
Арнольд также использует структурно-управляемый белок рекомбинация для объединения частей разных белков с образованием белковых химер 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 складываться должным образом, а затем применяет направленную эволюцию для дальнейшего изменения химер для оптимизации их
В Калтехе Арнольд руководит лабораторией, которая продолжает изучать направленную эволюцию и ее применение в экологически безопасном химическом синтезе и зеленой / альтернативной энергии, включая разработку высокоактивных ферментов (целлюлолитических и биосинтетических ферментов) и микроорганизмы для преобразования возобновляемой биомассы в топливо и химические вещества. 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.
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 был диагностирован рак груди в 2005 году, и она проходила лечение в течение 18 месяцев.
Арнольд состояла в гражданском браке с астрофизиком Калифорнийского технологического института Эндрю Э. Ланге, начиная с 1994 года, у них родилось двое сыновей, Уильям и Джозеф. Ланге покончила 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 походы.
Работа Арнольда была отмечена множеством наград, в том числе Нобелевской премией по химии в 2018 году, Национальной инженерной академией (NAE) 2011 года Приз Дрейпера (первая женщина, получившая эту награду) и Национальную медаль за технологии и инновации 2011 г. Она была избрана членом Американской академии искусств и наук в 2011 году и введена в Национальный зал славы изобретателей в 2014 году. Она была первой женщиной, избранной во все три национальные академии США - Национальная инженерная академия (2000), Национальная медицинская академия, ранее называвшаяся Институтом медицины (2004), и Национальная академия медицины Sciences (2008).
Арнольд является членом Американской ассоциации развития науки, Американской академии искусств и наук, Американская академия микробиологии, Американский институт медицинской и биологической инженерии и международный научный сотрудник Королевской инженерной академии Великобритании в 2018 г.
В 2016 году она стала первой женщиной, выигравшей Премию технологий тысячелетия, которую она получила за новаторство в направленной эволюции. В 2017 году Арнольд был награжден премией Раймонда и Беверли Саклер в исследованиях конвергенции от 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 половину награды, а другую половину совместно получили Джордж Смит и Грегори Винтер "за фаговый дисплей из пептиды и антитела. " Она первая женщина-выпускница Принстона, удостоенная Нобелевской премии, и первый человек, получивший степень бакалавра в Принстоне (мужчина или женщина), получивший Нобелевскую премию в одной из категорий естественных наук (химия, физика и физиология медицины). В ноябре 2018 года она была внесена в список 100 женщин BBC. 24 октября 2019 года Папа Франциск назначил ее членом Папской академии наук.
Она появилась в эпизоде 18x12 телесериала Теория большого взрыва изображает себя.
 | Викимедиа У Commons есть средства массовой информации, связанные с Фрэнсис Арнольд. |
, включая Нобелевскую лекцию 8 декабря 2018 г. Инновации эволюции: воплощение новой химии в жизнь