Frances arnold

Frances arnold Billede i infobox. Biografi
Fødsel 25. juli 1956
Pittsburgh
Fødselsnavn Frances Hamilton Arnold
Nationalitet amerikansk
Uddannelse Taylor Allderdice High School ( en )
Princeton University (indtil1979)
University of California i Berkeley (indtil1985)
Aktiviteter Biokemiker , opfinder , universitetsprofessor , ingeniør , forsker , lærer
Far William Howard Arnold ( in )
samling Jay Bailey ( ind ) (indtil1994)
Slægtskab William Howard Arnold ( in ) (bedstefar)
Andre oplysninger
Arbejdede for California Institute of Technology
Domæne Kemiteknik
Medlem af American Academy of Arts and Sciences
United States National Academy of Engineering (2000)
United States National Academy of Medicine (2004)
American Academy of Sciences (2008)
Royal Society (2020)
Tilsynsførende Warren Harvey Blanch ( d )
Internet side www.che.caltech.edu/faculty/arnold_f/index.html
Priser Nobelprisen i kemi (2018)

Frances Hamilton Arnold , født den25. juli 1956i Edgewood , er ingeniør inden for biokemi . Hans arbejde har vundet adskillige priser, herunder Draper-prisen i 2011, den nationale medalje for teknologi og innovation i 2013 og Nobelprisen i kemi i 2018.

Hun har udviklet metoder til styret evolution for at skabe nyttige biologiske systemer, herunder enzymer , metaboliske veje , nye kredsløb til regulering af genekspression og endda organismer. Hun er professor i kemiteknik , bioteknologi og biokemi ved California Institute of Technology , hvor hun studerer rettet evolution og dens anvendelser inden for videnskab , medicin , kemi og energi .

Hun modtog en BS i ingeniørmekanik og ingeniør- og rumteknologi til Princeton University i 1979 og en doktorgrad i kemiteknik ved University of California i Berkeley . Hun udførte sit postdoktorale arbejde inden for kemi og biofysik, inden hun flyttede til det private universitet i Caltech (California Institute of Technology) i 1986 .

Barndom, uddannelse

Frances Arnold, født i Edgewood , USA, er datter af William Howard Arnold, der arbejdede som atomfysiker , og Josephine Inman Routheau. Med sine fire brødre, William Howard III, Edward, David og Thomas, elskede hun at konkurrere.

Hun voksede op i forstæderne til Pittsburgh , især i Edgewood, Shadyside og Squirrel Hill.

Hun dimitterede fra Allderdice High School i 1974 .

Stadig en gymnasieelev, hun blaffede til Washington for at demonstrere og protestere mod Vietnamkrigen . Hun boede der alene med et job som cocktail servitrice i en lokal jazzklub og som taxachauffør .

Frances Arnold studerede maskinteknik og rumfartsteknologi ved Princeton University og afsluttede denne studiecyklus med en grad i 1979 , inden han fik en ph.d. i kemiteknik fra University of California, Berkeley i 1985 .. Hans speciale , udført i Harvey Blanchs laboratorium, fokuserede på affinitetskromatografiteknikker . Efter eksamen begyndte hun sit professionelle forskningsliv med postdoktoral forskning ved UC Berkeley og Caltech ("  California Institute of Technology  ").

Privat liv

Frances Arnold bor i La Cañada Flintridge ( Californien ). Hun var gift med den biokemiske ingeniør James E. Bailey, som hun havde en søn, James, og som døde af kræft i 2001. Derefter giftede hun sig igen med astrofysikeren Andrew E. Lange, og de havde to sønner, William og Joseph. Hendes anden mand begik selvmord i 2010, og hendes søn William døde i en ulykke i 2016.

Hun blev diagnosticeret med brystkræft i 2005 og er en af ​​kræftoverlevende.

Hun vises i afsnit 18 i sæson 12 af The Big Bang Theory, hvor hun spiller sin egen rolle.

Professionel karriere

I 1996 blev hun udnævnt til professor ved Caltech, i 2005 var hun medstifter af biobrændstoffirmaet Gevo, i 2013 var hun medstifter af virksomheden Provivi til biokontrol inden for landbruget. Hun blev valgt til American Academy of Arts and Sciences i 2011 . Frances Arnold har den sjældne ære at blive valgt til de tre nationale akademier i USA: National Academy of Sciences, National Academy of Engineering og Institute of Medicine. Hun er medlem af American Association for the Advancement of Science, American Academy of Arts and Sciences, American Academy of Microbiology, American Institute of Medical and Biological Engineering og en international stipendiat. Fra Royal Academy of Engineering fra Det Forenede Kongerige . I 2016 syntetiserede hun et enzym, der er i stand til at skabe en kulstof-siliciumbinding

Frances Arnold, der er medlem af det rådgivende udvalg for Joint BioEnergy Institute og de Packard DOE- finansierede Science and Engineering Fellowships , er også medlem af Advisory Board for præsidenten for King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). Hun er i øjeblikket dommer for Queen Elizabeth Engineering Prize. Hun arbejdede med American Academy of Sciences 'Science & Entertainment Exchange for at hjælpe Hollywood manuskriptforfattere med nøjagtig beskrivelse af videnskabelige emner.

I 2018 modtog hun Nobelprisen i kemi for sit arbejde med den styrede udvikling af enzymer, en pris, som hun deler med den britiske Gregory Winter og amerikaneren Georges P.Smith , for deres arbejde med den styrede udvikling af peptider og antistoffer. via fager '.

det 24. oktober 2019hun blev udnævnt til medlem af Pontifical Academy of Sciences af pave Frans .

Forskning

I 1993 lavede hun et enzym ( Subtilisin E), der var funktionelt i et unaturligt miljø. Frances Arnold var blandt de første til at bruge rettet udvikling til at skabe enzymer (biokemiske molekyler - for det meste proteiner - der katalyserer eller fremskynder visse kemiske reaktioner) med forbedrede eller endda helt nye funktioner.

Denne strategi (rettet evolution) involverer gentagne gange og mere eller mindre tilfældigt mutagenese af proteiner (eller kofaktorer ) for at opnå et "bibliotek" og derefter screening af de producerede proteiner for at teste, udvælge og fastholde dem, der ser ud til at have funktioner. Det er blevet brugt til at skabe eller forbedre enzymer, hæmmer , metaboliske veje , genetiske regulerende kredsløb og endda organismer. I naturen fører udvikling ved naturlig selektion især til nye proteiner (inklusive enzymer) eller produceret på et nyt sted eller på et nyt tidspunkt, hvor de viser sig at være egnede til at udføre de biologiske opgaver, som vi ønsker at se udført. men denne naturlige udvælgelse kan kun virke på proteiner, der indeholder eksisterende sekvensvariationer (mutationer), og det tager normalt lang tid.

Frances Arnold valgte at fremskynde processen ved at forårsage mutationer i de underliggende proteinsekvenser, hvis egenskaber hun derefter tester. Hvis en mutation forbedrer funktionen af ​​et modificeret protein, kan operatøren gentage processen for at optimere det yderligere. Denne strategi har store implikationer, fordi den kan bruges til at designe proteiner til en lang række applikationer.

Hun opdagede således enzymer, der er nyttige til produktion af vedvarende brændstoffer og farmaceutiske forbindelser, der er mindre skadelige for miljøet.

Sammenlignet med transgenese som praktiseret siden 1980'erne er en fordel ved styret evolution, at mutationer i nogle tilfælde kan overlades til tilfældighederne (helt tilfældige) for at opdage uudforsket potentiale eller delvist styres til at ende med at finde mutationer, der anses for effektive og interessante. Antallet af mulige kombinationer af mutationer er astronomisk, men Frances Arnold bruger fremskridt inden for biokemi til at fokusere på at introducere mutationer i en eller flere funktionelle regioner af proteinet, som sandsynligvis har mest potentiale, mens man undgår at gøre det. Mutere områder, hvis ændringer ville være i bedste fald neutral og i værste fald skadelig (såsom forstyrrelse af korrekt proteinfoldning , for eksempel findes i patogene prioner ).

Frances Arnold var den første kemiker, der anvendte orienteret evolution til optimering af enzymer; hans grundlæggende arbejde (offentliggjort i 1993) brugte denne metode til at udvikle en version af subtilisin E aktiv i et meget kunstigt miljø, herunder især i et organisk opløsningsmiddel , dimethylformamid (DMF). Hun udførte sit arbejde ved hjælp af fire sekventielle runder af mutagenese af enzymets gener, udtrykt af bakterier, via forstyrrende PCR . Efter hver cyklus undersøgte hun enzymernes evne til at hydrolysere kasein, et mælkeprotein, i nærværelse af DMF ved at lade bakterierne vokse i petriskåle indeholdende agar baseret på kasein og DMF. Bakterierne udskilte enzymet og, hvis det var funktionelt, hydrolyserede kaseinet og producerede en synlig glorie. Hun valgte de bakterier, der havde de største haloer, og isolerede deres DNA til yderligere runder af mutagenese. Hun fandt et enzym 256 gange mere aktivt i DMF end originalen.

Frances Arnold perfektionerede derefter sin metode ved at anvende forskellige udvælgelseskriterier for at "optimere" enzymer til forskellige funktioner. Det har vist, at mens de fleste naturlige enzymer kun fungerer godt i et snævert temperaturinterval, kan enzymer, der er modificeret til at fungere ved varmere og / eller koldere temperaturer, produceres ved hjælp af direkte udvikling. Hun har også udviklet enzymer opfylder funktioner ukendt i det naturlige miljø, for eksempel med cytochrom P450 , der udfører cyclopropanering og carben og nitren overførselsreaktioner . Hun co-udviklede således enzymer i de biosyntetiske veje, inklusive dem, der er involveret i produktionen af carotenoider , eller, til biokatalyse , vendte enantioselektiviteten af hydantoinase, så al Escherichia coli producerer aminosyrer af typen L-methionin .

Frances Arnold anvendte disse metoder til produktion af biobrændstoffer: hun skabte således bakterier, der producerer isobutanol  ; det kunne produceres i E. coli- bakterier , men produktionsvejen krævede NADPH-cofaktoren, mens E. coli fremstiller en anden cofaktor (NADH). Frances Arnold udviklede derfor de nødvendige enzymer ved hjælp af NADH i stedet for NADPH, hvilket muliggjorde produktion af isobutanol. Det har også produceret meget specifikke og effektive enzymer, der kan erstatte visse kemiske syntese på en mindre forurenende måde.

Hun og andre skabte ved hjælp af de samme metoder enzymer, der udførte hurtigere kemiske synteser, med færre biprodukter og undertiden uden behov for farlige tungmetaller som katalysatorer.

Jeffrey Moore (en tidligere studerende af Frances Arnold) og hans kolleger brugte styret evolution til at udvikle et enzym til at producere sitagliptin (et antidiuretikum ). Frances Arnold dannede også kimærer af proteiner med unikke funktioner. Hun udviklede beregningsmetoder, herunder SCHEMA- metoden, der forudsagde, hvordan dele kan kombineres uden at forstyrre deres overordnede struktur (så kimære proteiner foldes korrekt), og anvendte derefter sine målrettede udviklingsmetoder på dem for at producere efterfølgende mutationer af disse kimærer for at optimere deres funktioner.

Frances Arnold leder et laboratorium hos Caltech, som fortsætter med at studere styret evolution og dets anvendelser inden for miljøvenlig kemisk syntese og i tjeneste for grønne og alternative energier , med især udvikling af meget aktive enzymer og mikroorganismer (enzymer cellulolytika og biosyntetiske stoffer) til konvertering vedvarende biomasse til brændstofkemikalier og / eller reagenser.

Noter og referencer

  1. (i) Howard Bruschi, Memorial Hyldest: bind 21 , Washington, DC:, National Academies Press ,2017, 406  s. ( ISBN  978-0-309-45928-0 , læs online ) , s.  16
  2. (i) Zoë Corbyn, "  Frances Arnold: 'At forvente en nobelpris er temmelig fjollet'  ' , The Guardian ,21. oktober 2018( læs online )
  3. B. Guarino, "'Hendes arbejde er utroligt': Frances Arnold fra Pittsburgh deler Nobelprisen i kemi," Pittsburgh Post-Gazette, 3. oktober 2018.
  4. Olga kharif, "Frances Arnolds Directed Evolution" , Bloomberg Businessweek, offentliggjort 15. marts, 2012, tilgås 1 st september 2012.
  5. "Frances H. Arnold" , NAE-websted, åbnet 3. oktober 2018.
  6. "A til G | Harvey W. Blanch ” , stage.cchem.berkeley.edu, adgang til 3. oktober 2018.
  7. "Interview med Frances H. Arnold - Design by Evolution" , ChemViews Magazine: ChemistryViews.
  8. "Andrew E. Lange '80" , Princeton Alumni Weekly , hentet 3. oktober, 2018.
  9. "Andrew Lange, Cosmos Scholar, Dies at 52" , New York Times , adgang til 3. oktober 2018.
  10. (i) Maggie Fox, "  Nobel vinderen overvandt personlige tab, kræft, bliver hvid og en kvinde  " , NBC News ,3. oktober 2018( læs online )
  11. Walter Hamilton, "Frances Arnold: Karriereforløb af en Caltech videnskabsmand" , Los Angeles Times , adgang 1 st september 2012.
  12. Philippe Pajot, "  Chimie  ", La Recherche ,1 st januar 2019, s.  7-11
  13. "Caltech-professor Frances H. Arnold valgt til det nationale videnskabsakademi" , Caltech, 5. maj 2008.
  14. "Frances Arnolds instruerede udvikling" , American Association for the Advancement of Science, adgang til 3. oktober 2018.
  15. (in) "  George P. Smith  " om Nobelprisen ,3. oktober 2018(adgang til 3. oktober 2018 ) .
  16. David Larousserie og Hervé Morin , "  Nobelprisen i kemi til to amerikanere, en brite og deres arbejde med evolution i et reagensglas  ", Le Monde ,3. oktober 2018( læs online , hørt den 3. oktober 2018 ).
  17. (it) "  Rinunce e nomine: Nomina di Membro Ordinario della Pontificia Accademia delle Scienze  " , på press.vatican.va ,24. oktober 2019
  18. "Nobelprisen i kemi 2018" (PDF), Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi, adgang til 3. oktober 2018.
  19. Patrick C. Cirino, Frances H. Arnold, "Exploring the Diversity of Heme Enzymes through Directed Evolution" , Directed Molecular Evolution of Proteins, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, s.  215–243 ( ISBN  3527304231 ) , adgang til 3. oktober 2018.
  20. "Videnskabelig baggrund om Nobelprisen i kemi 2018" (PDF), Royal Swedish Academy of Sciences, adgang til 3. oktober 2018.
  21. K. Chen, FH Arnold, "Tuning af et enzyms aktivitet til usædvanlige miljøer: sekventiel tilfældig mutagenese af subtilisin E til katalyse i dimethylformamid" , Proceedings of the National Academy of Sciences , bind. 90 n o  12, s.  5618-5622 , 15. juni 1993, doi: 10.1073 / pnas.90.12.5618 ( ISSN  0027-8424 ) .
  22. Ann Fernholm, “A (r) evolution in chemistry” (PDF), Nobelprisen i kemi 2018: Popular Science Background, 3. oktober 2018.
  23. Pedro S. Coelho, Eric M. Brustad, Arvind Kannan, Frances H. Arnold, "Olefin cyclopropanation via carbene transfer catalyzed by cytochrome P450 enzymer engineered" , Science (New York, NY), nr .  339 (6117), s. 307–310, 18. januar 2013, doi: 10.1126 / science.1231434 ( ISSN  1095-9203 ) , PMID 23258409 .
  24. Christopher K. Pray, Todd K. Hyster, Christopher C. Farwell, Audrey Huang, Frances H. Arnold, "Asymmetric Enzymatic Synthesis of Allylic Amines: A Sigmatropic Rearrangement Strategy", Angewandte Chemie (International Ed. In English), bind. 55, nr .  15, s.  4711–4715 , 4. april 2016, doi: 10.1002 / anie.201601056 ( ISSN  1521-3773 ) , PMC 4818679, PMID 26970325 .
  25. C. Schmidt-Dannert, D. Umeno, FH Arnold, "Molekylær avl af carotenoid biosyntetiske veje" , Nature Biotechnology , bind. 18, nr .  7, s.  750-753 , 1 st juli 2000 doi: 10.1038 / 77.319 ( ISSN  1087-0156 ) , PMID 10.888.843 .
  26. O. May, PT Nguyen, FH Arnold, "Inverterende enantioselektivitet ved styret udvikling af hydantoinase til forbedret produktion af L-methionin", Nature Biotechnology , bind. 18 n o  3, s.  317-320 , 1 st marts 2000 doi: 10.1038 / 73773 ( ISSN  1087-0156 ) , PMID 10.700.149 .
  27. Sabine Bastian, Xiang Liu, Joseph T. Meyerowitz, Christopher D. Snow, Mike MY Chen, Frances H. Arnold, “Konstrueret ketol-syrereduktoisomerase og alkoholdehydrogenase muliggør anaerob 2-methylpropan-1-ol produktion ved teoretisk udbytte i Escherichia coli ” , Metabolic Engineering , bind. 13, nr .  3, s.  345–352 , maj 2011 doi: 10.1016 / j.ymben.2011.02.004 ( ISSN  1096-7184 ) PMID 21515217 .
  28. David Freeman, "Meet the Woman Who Launched A New Field of Scientific Study" , Huffington Post , 31. maj 2016, adgang til 4. oktober 2018.
  29. Forskningsgruppen Frances H. Arnold, "Strukturstyret rekombination af proteiner", åbnet 3. oktober 2018.
  30. Michelle M. Meyer, Lisa Hochrein, Frances H. Arnold, "Strukturstyret SCHEMA-rekombination af fjernt beslægtede β-lactamaser" , Protein Engineering, Design and Selection , bind. 19, nr .  12, s.  563-570 , 6. november 2006, doi: 10.1093 / protein / gzl045 ( ISSN  1741-0134 ) .

eksterne links