Frances Arnold - Frances Arnold

Frances Arnold
Frances Arnold, współprzewodnicząca PCAST ​​(przycięte).jpg
Współprzewodniczący Prezydenckiej Rady Doradców Naukowo-Technicznych
Objęcie urzędu
20 stycznia 2021
Służba z Marią Zuber
Prezydent Joe Biden
Poprzedzony Pozycja ustalona
Dane osobowe
Urodzić się
Frances Hamilton Arnold

( 1956-07-25 )25 lipca 1956 (wiek 65)
Edgewood, Pensylwania , USA
Małżonkowie
​
(rozwiedziony)
Partner krajowy Andrew E. Lange (1994-2010)
Edukacja Uniwersytet Princeton ( BS )
Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley ( MS , PhD )
Nagrody Garvan-Olin Medal (2005)
FASEB Excellence in Science Award (2007)
Draper Prize (2011)
National Medal of Technology and Innovation (2013)
Millennium Technology Prize (2016)
Sackler Prize in Convergence Research (2017)
Nobel w dziedzinie chemii (2018)
Kariera naukowa
Pola Inżynieria chemiczna
Bioinżynieria
Biochemia
Instytucje Kalifornijski Instytut Technologiczny
Praca dyplomowa Projektowanie i skalowanie separacji powinowactwa  (1985)
Doradca doktorski Harvey W. Blanch
Doktoranci Christopher Voigt
Huimin Zhao

Frances Hamilton Arnold (ur. 25 lipca 1956) to amerykański inżynier chemik i laureat Nagrody Nobla . Jest profesorem Linus Pauling inżynierii chemicznej, bioinżynierii i biochemii w California Institute of Technology (Caltech). W 2018 roku otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pionierskie zastosowanie ukierunkowanej ewolucji do inżynierii enzymów .

Od stycznia 2021 roku, ona służy jako zewnętrzny współprzewodniczący prezydent Joe Biden „s Rady Radców Nauki i Technologii (PCAST).

Wczesne życie i edukacja

Arnold jest córką Josephine Inman (z domu Routheau) i fizyka jądrowego Williama Howarda Arnolda oraz wnuczką generała porucznika Williama Howarda Arnolda . Dorastała w Pittsburgh podmiejskiej Edgewood i Pittsburgh Dzielnic Shadyside i wiewiórki Hill , którą ukończył z miasta Taylor Allderdice High School w 1974 roku jako wysokiej Schooler, ona autostopem do Waszyngtonu , aby zaprotestować przeciwko wojnie wietnamskiej i mieszkała sama, pracuje jako kelnerka w lokalnym klubie jazzowym i jako kierowca taksówki.

Ta sama niezależność, która skłoniła Arnold do wyprowadzenia się z domu dziecka jako nastolatka, doprowadziła również do dużej liczby nieobecności w szkole i niskich ocen. Mimo to uzyskała niemal doskonałe wyniki w standardowych testach i była zdeterminowana, by uczęszczać na Uniwersytet Princeton, alma mater jej ojca. Złożyła podanie o specjalizację z inżynierii mechanicznej i została przyjęta. Motywacją Arnold do studiowania inżynierii, jak stwierdzono w jej wywiadzie przyznanym nagrodą Nobla, było to, że „[inżynieria mechaniczna] była najłatwiejszą opcją i najłatwiejszym sposobem, aby dostać się na Uniwersytet Princeton w tamtym czasie i nigdy nie odszedłem”.

Arnold ukończył w 1979 roku z BS stopnia w mechanicznej i inżynierii kosmicznej z Uniwersytetu Princeton , gdzie koncentruje się na badania w dziedzinie energii słonecznej. Oprócz kursów wymaganych na jej kierunku, brała udział w zajęciach z ekonomii, języka rosyjskiego i włoskiego i wyobrażała sobie, że zostanie dyplomatą lub dyrektorem generalnym, nawet rozważając uzyskanie wyższego stopnia naukowego w sprawach międzynarodowych. Po drugim roku wzięła roczny urlop w Princeton, aby pojechać do Włoch i pracować w fabryce produkującej części do reaktorów jądrowych , po czym wróciła, aby ukończyć studia. Po powrocie do Princeton rozpoczęła studia w Centrum Studiów Energetycznych i Środowiskowych – grupie naukowców i inżynierów, kierowanej wówczas przez Roberta Socolowa , pracujących nad rozwojem zrównoważonych źródeł energii, na czym skupiała się jej późniejsza praca.

Po ukończeniu Princeton w 1979 Arnold pracował jako inżynier w Korei Południowej i Brazylii oraz w Instytucie Badań nad Energią Słoneczną w Kolorado . W Instytucie Energii Słonecznej (obecnie National Renewable Energy Laboratory), pracowała w projektowaniu słonecznych energii dla urządzeń zdalnych lokalizacjach i pomógł napisać Narodów Zjednoczonych (ONZ) papierów pozycyjnych .

Następnie rozpoczęła studia na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley , gdzie uzyskała stopień doktora. ukończył inżynierię chemiczną w 1985 roku i głęboko zainteresował się biochemią. Jej praca dyplomowa, wykonana w laboratorium Harveya Warrena Blancha, dotyczyła technik chromatografii powinowactwa . Arnold nie miał wykształcenia chemicznego przed doktoratem z inżynierii chemicznej. Przez pierwszy rok jej doktoratu. podczas zajęć, komisja absolwentów na UC Berkeley wymagała, aby brała udział w kursach chemii na poziomie licencjackim.

Kariera zawodowa

Po uzyskaniu doktoratu Arnold ukończyła studia podoktoranckie z chemii biofizycznej w Berkeley. W 1986 roku dołączyła do California Institute of Technology jako wizytujący współpracownik. Została awansowana na profesora nadzwyczajnego w 1986, profesora nadzwyczajnego w 1992 i profesora zwyczajnego w 1996. Została mianowana profesorem inżynierii chemicznej, bioinżynierii i biochemii Dicka i Barbary Dickinsonów w 2000 roku, a na obecnym stanowisku profesora chemii Linusa Paulinga. Engineering, Bioengineering and Biochemistry w 2017 roku. W 2013 roku została dyrektorem Centrum Bioinżynierii Donna i Benjamina M. Rosena w Caltech.

Arnold zasiadał w Radzie Naukowej Instytutu Santa Fe w latach 1995-2000. Była członkiem Rady Doradczej Joint BioEnergy Institute . Arnold przewodniczy panelowi doradczemu stypendiów Packard w dziedzinie nauki i inżynierii. Zasiadała w Radzie Doradczej Prezydenta Uniwersytetu Nauki i Technologii im . Króla Abdullaha ( KAUST ). Była jurorką nagrody Queen Elizabeth w dziedzinie inżynierii i współpracowała z Giełdą Naukowo-Rozrywkową Narodowej Akademii Nauk, aby pomóc hollywoodzkim scenarzystom w dokładnym przedstawianiu tematów naukowych.

W 2000 roku Arnold został wybrany członkiem Narodowej Akademii Inżynierii za integrację podstaw biologii molekularnej, genetyki i bioinżynierii z korzyścią dla nauk przyrodniczych i przemysłu.

Jest współtwórcą ponad 40 patentów amerykańskich. Ona współfinansowany Gevo, Inc ., Spółka do paliw i substancji chemicznych ze źródeł odnawialnych w roku 2005. W 2013 roku, ona i jej dwie byłe studentów, Peter Meinhold i Pedro Coelho, współfinansowany firmę o nazwie Provivi na badania alternatyw dla pestycydów dla ochrona upraw. Od 2016 roku zasiada w zarządzie firmy zajmującej się genomiką Illumina Inc.

W 2019 roku została powołana do zarządu Alphabet Inc. , czyniąc Arnold trzecią kobietą dyrektorem firmy macierzystej Google.

W styczniu 2021 r. została mianowana zewnętrznym współprzewodniczącym Rady Doradców ds. Nauki i Technologii Prezydenta Joe Bidena (PCAST). Współpracuje z zespołem przejściowym Bidena, aby pomóc w identyfikacji naukowców do ról w administracji. Mówi, że jej głównym zadaniem jest teraz pomoc w wyborze dodatkowych członków PCAST ​​i przystąpieniu do pracy nad ustaleniem programu naukowego dla grupy. Stwierdziła: „Musimy przywrócić znaczenie nauki w tworzeniu polityki, w podejmowaniu decyzji w całym rządzie. Musimy przywrócić zaufanie Amerykanów do nauki… Myślę, że PCAST ​​może odegrać w tym korzystną rolę”.

Badania

Arnoldowi przypisuje się pionierskie wykorzystanie ukierunkowanej ewolucji do tworzenia enzymów (cząsteczek biochemicznych — często białek — które katalizują lub przyspieszają reakcje chemiczne) o ulepszonych i/lub nowych funkcjach. Strategia ukierunkowanej ewolucji obejmuje iteracyjne rundy mutagenezy i badań przesiewowych pod kątem białek o ulepszonych funkcjach i została wykorzystana do stworzenia użytecznych systemów biologicznych , w tym enzymów , szlaków metabolicznych , genetycznych obwodów regulacyjnych i organizmów . W naturze ewolucja poprzez dobór naturalny może prowadzić do powstania białek (w tym enzymów) dobrze przystosowanych do wykonywania zadań biologicznych, ale dobór naturalny może oddziaływać tylko na istniejące wariacje sekwencji (mutacje) i zazwyczaj zachodzi w długich okresach czasu. Arnold przyspiesza ten proces, wprowadzając mutacje w podstawowych sekwencjach białek; następnie testuje efekty tych mutacji. Jeśli mutacja poprawi funkcję białek, może kontynuować iterację procesu, aby go dalej optymalizować. Strategia ta ma szerokie implikacje, ponieważ może być wykorzystywana do projektowania białek o wielu różnych zastosowaniach. Na przykład wykorzystała ukierunkowaną ewolucję do zaprojektowania enzymów, które można wykorzystać do produkcji paliw odnawialnych i związków farmaceutycznych przy mniejszej szkodliwości dla środowiska.

Jedną z zalet ukierunkowanej ewolucji jest to, że mutacje nie muszą być całkowicie przypadkowe; zamiast tego mogą być wystarczająco losowe, aby odkryć niezbadany potencjał, ale nie tak losowe, aby były nieefektywne. Liczba możliwych kombinacji mutacji jest astronomiczna, ale zamiast po prostu losowo próbować przetestować jak najwięcej, integruje swoją wiedzę biochemiczną, aby zawęzić opcje, koncentrując się na wprowadzaniu mutacji w obszarach białka, które prawdopodobnie mają najwięcej pozytywny wpływ na aktywność i unikanie obszarów, w których mutacje prawdopodobnie byłyby w najlepszym razie neutralne, aw najgorszym szkodliwe (takie jak zakłócanie prawidłowego fałdowania białek).

Arnold zastosował ukierunkowaną ewolucję do optymalizacji enzymów (choć nie jest to pierwsza osoba, która to zrobiła, patrz np. Barry Hall). W swojej przełomowej pracy, opublikowanej w 1993 roku, wykorzystała tę metodę do opracowania wersji subtylizyny E, która była aktywna w organicznym rozpuszczalniku DMF , wysoce nienaturalnym środowisku. Pracę wykonała wykorzystując cztery kolejne rundy mutagenezy genu enzymu , wyrażanego przez bakterie, metodą podatnej na błędy PCR . Po każdej rundzie badała enzymy pod kątem ich zdolności do hydrolizy kazeiny białka mleka w obecności DMF poprzez hodowanie bakterii na płytkach agarowych zawierających kazeinę i DMF. Bakterie wydzielały enzym i gdyby działał, hydrolizowałyby kazeinę i wytwarzały widoczne halo. Wybrała bakterie, które miały największe halo i wyizolowała ich DNA do dalszych rund mutagenezy. Korzystając z tej metody, zaprojektowała enzym, który miał 256 razy większą aktywność w DMF niż oryginał.

Dalej rozwinęła swoje metody i zastosowała je zgodnie z różnymi kryteriami selekcji w celu optymalizacji enzymów dla różnych funkcji. Pokazała, że ​​podczas gdy naturalnie wyewoluowane enzymy mają tendencję do dobrego funkcjonowania w wąskim zakresie temperatur, enzymy można wytwarzać za pomocą ukierunkowanej ewolucji, która mogłaby funkcjonować zarówno w wysokich, jak i niskich temperaturach. Oprócz poprawy istniejących funkcji naturalnych enzymów, Arnold zaprojektowała enzymy, które wykonują funkcje, dla których nie istniał wcześniej żaden specyficzny enzym, na przykład gdy wyewoluowała cytochrom P450 do przeprowadzania reakcji cyklopropanacji oraz przenoszenia karbenu i nitrenu .

Oprócz ewolucji pojedynczych cząsteczek wykorzystała ukierunkowaną ewolucję do koewoluowania enzymów w szlakach biosyntezy, takich jak te zaangażowane w produkcję karotenoidów i L-metioniny w Escherichia coli (która może być wykorzystywana jako cała komórka). biokatalizator). Zastosowała te metody do produkcji biopaliw . Na przykład wyewoluowała bakterie do produkcji izobutanolu do biopaliwa ; może być wytwarzany w bakteriach E. coli , ale szlak produkcji wymaga kofaktora NADPH , podczas gdy E. coli wytwarza kofaktor NADH . Aby obejść ten problem, wyewoluowała enzymy na szlaku, aby używać NADH zamiast NADPH, umożliwiając produkcję izobutanolu.

Arnold wykorzystał również ukierunkowaną ewolucję do zaprojektowania wysoce specyficznych i wydajnych enzymów, które mogą być stosowane jako przyjazna dla środowiska alternatywa dla niektórych przemysłowych procedur syntezy chemicznej. Ona i inni stosujący jej metody opracowali enzymy, które mogą przeprowadzać reakcje syntezy szybciej, z mniejszą ilością produktów ubocznych, a w niektórych przypadkach eliminując potrzebę stosowania niebezpiecznych metali ciężkich .

Wykorzystuje sterowaną strukturalnie rekombinację białek do łączenia części różnych białek w celu utworzenia chimer białkowych o unikalnych funkcjach. Opracowała metody obliczeniowe, takie jak SCHEMA , aby przewidzieć, w jaki sposób można łączyć części bez naruszania ich struktury rodzicielskiej, aby chimery prawidłowo się składały, a następnie stosuje ukierunkowaną ewolucję w celu dalszej mutacji chimer w celu optymalizacji ich funkcji.

W Caltech Arnold prowadzi laboratorium, które nadal bada ukierunkowaną ewolucję i jej zastosowania w przyjaznej dla środowiska syntezie chemicznej i zielonej/alternatywnej energii, w tym opracowywanie wysoce aktywnych enzymów (enzymów celulolitycznych i biosyntetycznych) oraz mikroorganizmów do przekształcania odnawialnej biomasy w paliwa i chemikalia. Artykuł opublikowany w Science w 2019 roku, z Inha Cho i Zhi-Jun Jia, został wycofany 2 stycznia 2020 roku, ponieważ wyniki okazały się nie do odtworzenia.

Od 2021 r. Arnold ma indeks h równy 135 według Google Scholar .

Życie osobiste

Arnold mieszka w La Canada Flintridge w Kalifornii . Była żoną Jamesa E. Baileya, który zmarł na raka w 2001 roku. Mieli syna o imieniu James Bailey. U Arnold zdiagnozowano raka piersi w 2005 roku i przeszła leczenie przez 18 miesięcy.

Arnold był w małżeństwie zwyczajowym z astrofizykiem z Caltech Andrew E. Lange , począwszy od 1994 roku i mieli dwóch synów, Williama i Josepha. Lange popełniła samobójstwo w 2010 roku, a jeden z ich synów, William Lange-Arnold, zginął w wypadku w 2016 roku.

Jej hobby to podróże, nurkowanie, narciarstwo, jazda na rowerze terenowym i piesze wędrówki.

Honory i nagrody

Praca Arnolda została doceniona wieloma nagrodami, w tym Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii 2018, Nagrodą Draper National Academy of Engineering (NAE) 2011 (pierwsza kobieta, która ją otrzymała) oraz Narodowym Medalem Technologii i Innowacji 2011 . Została wybrana do American Academy of Arts and Sciences w 2011 roku, a w 2014 roku wpisana do National Inventors Hall of Fame. Była pierwszą kobietą, która została wybrana do wszystkich trzech National Academy w Stanach Zjednoczonych – National Academy of Engineering (2000 ), Narodowa Akademia Medyczna , dawniej zwana Instytutem Medycyny (2004) oraz Narodowa Akademia Nauk (2008).

Arnold jest członkiem American Association for the Advancement of Science , American Academy of Arts and Sciences , American Academy of Microbiology , American Institute for Medical and Biological Engineering oraz International Fellow brytyjskiej Królewskiej Akademii Inżynierii w 2018 roku.

W 2016 roku została pierwszą kobietą, która zdobyła Milenijną Nagrodę Technologiczną , którą zdobyła za pionierską kierowaną ewolucję . W 2017 roku Arnold otrzymał nagrodę Raymonda i Beverly'ego Sacklera w dziedzinie badań konwergencji przez Narodową Akademię Nauk , która docenia niezwykły wkład w badania konwergencji.

W 2018 roku otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę w ukierunkowanej ewolucji, co czyni ją piątą kobietą, która otrzymała tę nagrodę w ciągu 117 lat swojego istnienia, i pierwszą Amerykanką. Otrzymała jedną połowę udziału przyznawania, z drugiej połowy wspólnie przyznanej George Smith i Gregory Winter „na wyświetlaczu faga z peptydów i przeciwciał .” Jest pierwszą kobietą, która ukończyła Princeton, która otrzymała Nagrodę Nobla i pierwszą osobą, która uzyskała tytuł licencjata w Princeton (mężczyzna lub kobieta), która otrzymała Nagrodę Nobla w jednej z kategorii nauk przyrodniczych (chemia, fizyka i fizjologia lub Medycyna). W listopadzie 2018 roku znalazła się na liście 100 kobiet BBC. 24 października 2019 r. papież Franciszek mianował ją członkiem Papieskiej Akademii Nauk .

Występy w popularnych mediach

Wcieliła się w siebie w 18. odcinku "The Laureate Accumulation" 12. sezonu serialu The Big Bang Theory . We wrześniu 2021 roku w 10-lecie PME UChicago żartobliwie stwierdziła, że ​​ten występ był największym wyróżnieniem w jej życiu.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki