Frances Arnold - Frances Arnold

Frances Arnoldová
Frances Arnold, spolupředsedkyně PCAST ​​(oříznuta) .jpg
Spolupředseda prezidentské rady poradců pro vědu a technologii
Předpokládaný úřad
20. ledna 2021
Podáváme s Marií Zuber
Prezident Joe Biden
Předchází Pozice stanovena
Osobní údaje
narozený
Frances Hamilton Arnold

( 1956-07-25 )25. července 1956 (věk 65)
Edgewood, Pennsylvania , USA
Manžel / manželka
(rozvedený)
Domácí partner Andrew E. Lange (1994–2010)
Vzdělávání Princeton University ( BS )
University of California, Berkeley ( MS , PhD )
Ocenění Garvan – Olin Medal (2005)
FASEB Excellence in Science Award (2007)
Draper Prize (2011)
National Medal of Technology and Innovation (2013)
Millenium Technology Prize (2016)
Sackler Prize in Convergence Research (2017)
Nobel Prize in Chemistry (2018)
Vědecká kariéra
Pole Chemické inženýrství
Bioinženýrství
Biochemie
Instituce Kalifornský technologický institut
Teze Design a Scale-Up of Affinity Separations  (1985)
Doktorský poradce Harvey W. Blanch
Doktorandi Christopher Voigt
Huimin Zhao

Frances Hamilton Arnold (narozený 25. července 1956) je americký chemický inženýr a nositel Nobelovy ceny . Je profesorkou chemického inženýrství, bioinženýrství a biochemie Linuse Paulinga na Kalifornském technologickém institutu (Caltech). V roce 2018 jí byla udělena Nobelova cena za chemii za průkopnictví v používání řízené evoluce k inženýrským enzymům .

Od ledna 2021, ona slouží jako externí podpředsedkyně President Joe Biden ‚s Rady poradců pro vědu a technologie (PCAST).

raný život a vzdělávání

Arnold je dcerou Josephine Inman (rozená Routheau) a jaderného fyzika Williama Howarda Arnolda a vnučkou generálporučíka Williama Howarda Arnolda . Vyrůstala na předměstí Pittsburghu Edgewood a Pittsburghských čtvrtích Shadyside a Squirrel Hill , kde v roce 1974 absolvovala městskou střední školu Taylor Allderdice . Jako středoškolačka se na protest proti válce ve Vietnamu vydala do Washingtonu, DC a žila sama, pracuje jako servírka koktejlů v místním jazzovém klubu a taxikář.

Stejná nezávislost, která Arnolda přiměla odstěhovat se z dětství domů jako teenager, také vedla k velkému počtu absencí ve škole a nízkých známek. Navzdory tomu dosáhla téměř standardních výsledků standardizovaných testů a byla odhodlána navštěvovat Princetonskou univerzitu, alma mater svého otce. Přihlásila se jako strojní inženýrství a byla přijata. Arnoldova motivace studia inženýrství, jak uvedla v rozhovoru pro Nobelovu cenu, byla, že „[strojírenství] bylo v té době nejjednodušší možností a nejsnadnějším způsobem, jak se dostat na Princetonskou univerzitu, a já jsem nikdy neodjel“.

Arnold absolvovala v roce 1979 bakalářský titul z mechanického a leteckého inženýrství na Princetonské univerzitě , kde se zaměřila na výzkum sluneční energie. Kromě kurzů požadovaných pro její obor absolvovala kurzy ekonomie, ruštiny a italštiny a představovala si, že se stane diplomatkou nebo generální ředitelkou, a to i s ohledem na získání pokročilého titulu v mezinárodních záležitostech. Po druhém ročníku si vzala rok z Princetonu na cestu do Itálie a práci v továrně, která vyráběla součásti jaderného reaktoru , a poté se vrátila, aby dokončila studium. Po návratu do Princetonu začala studovat v jejím Centru pro energetiku a environmentální studia - skupinu vědců a inženýrů, v té době vedenou Robertem Socolowem , která pracovala na rozvoji udržitelných zdrojů energie, což je téma, které by se stalo těžištěm její pozdější práce.

Po absolvování Princetonu v roce 1979 pracoval Arnold jako inženýr v Jižní Koreji a Brazílii a v Coloradském institutu pro výzkum sluneční energie . Ve Výzkumném ústavu sluneční energie (nyní Národní laboratoř pro obnovitelnou energii) pracovala na navrhování zařízení pro sluneční energii pro vzdálená místa a pomáhala psát stanoviska OSN (OSN) .

Poté se zapsala na Kalifornskou univerzitu v Berkeley , kde získala titul Ph.D. v chemickém inženýrství v roce 1985 a začal se hluboce zajímat o biochemii. Její diplomová práce, provedená v laboratoři Harveyho Warrena Blanche, zkoumala techniky afinitní chromatografie . Arnold neměl žádné chemické vzdělání, než si udělal doktorát z chemického inženýrství. Pro první rok její Ph.D. práce v kurzu, absolventská komise UC Berkeley požadovala, aby absolvovala bakalářské kurzy chemie.

Kariéra

Poté, co získala titul Ph.D., dokončila Arnold postgraduální výzkum v biofyzikální chemii v Berkeley. V roce 1986 nastoupila na Kalifornský technologický institut jako hostující spolupracovník. V roce 1986 byla povýšena na odbornou asistentku, v roce 1992 na docentku a v roce 1996 na řádnou profesorku. V roce 2000 byla jmenována profesorkou chemického inženýrství, bioinženýrství a biochemie Dickem a Barbarou Dickinsonovými a v současné pozici Linus Paulingovou profesorkou chemie. Inženýrství, bioinženýrství a biochemie v roce 2017. V roce 2013 byla jmenována ředitelkou centra bioinženýrství Donna a Benjamina M. Rosena společnosti Caltech.

Arnold sloužil ve vědecké radě Institutu Santa Fe v letech 1995–2000. Byla členkou poradního výboru Joint BioEnergy Institute . Arnold předsedá poradnímu panelu Packard Fellowships ve vědě a technice. Působila v prezidentské poradní radě Univerzity vědy a technologie krále Abdulláha ( KAUST ). Působila jako porotkyně Ceny královny Alžběty za strojírenství a spolupracovala s vědeckou a zábavní burzou Národní akademie věd, aby pomohla hollywoodským scenáristům přesně vykreslit vědecká témata.

V roce 2000 byl Arnold zvolen členem Národní akademie inženýrství pro integraci základů molekulární biologie, genetiky a bioinženýrství ve prospěch vědy o životě a průmyslu.

Je spoluvynálezkyní více než 40 amerických patentů. V roce 2005 spoluzaložila společnost Gevo, Inc. , která vyrábí paliva a chemikálie z obnovitelných zdrojů. V roce 2013 spolu se dvěma svými bývalými studenty Peterem Meinholdem a Pedrem Coelhem spoluzaložili společnost s názvem Provivi pro výzkum alternativ k pesticidům pro ochrana plodin. Od roku 2016 je v představenstvu genomické společnosti Illumina Inc.

V roce 2019 byla jmenována do představenstva společnosti Alphabet Inc. , čímž se Arnold stala třetí ředitelkou mateřské společnosti Google.

V lednu 2021 byla jmenována externí spolupředsedkyní Rady poradců prezidenta Joe Bidena pro vědu a technologii (PCAST). Spolupracuje s Bidenovým přechodovým týmem, aby pomohla identifikovat vědce pro role v administrativě. Říká, že jejím hlavním úkolem nyní je pomáhat s výběrem dalších členů PCAST ​​a začít pracovat na stanovení vědecké agendy pro skupinu. Uvedla: „Musíme obnovit význam vědy při tvorbě politik, při rozhodování napříč vládou. Musíme obnovit důvěru amerického lidu ve vědu ... Myslím, že PCAST ​​v tom může hrát prospěšnou roli. “

Výzkum

Arnold je připočítán jako průkopník využití řízené evoluce k vytváření enzymů (biochemických molekul - často proteinů - které katalyzují nebo urychlují chemické reakce) se zlepšenými a/nebo novými funkcemi. Strategie řízené evoluce zahrnuje iterační kola mutageneze a screeningu proteinů se zlepšenými funkcemi a byla použita k vytvoření užitečných biologických systémů , včetně enzymů , metabolických drah , genetických regulačních obvodů a organismů. V přírodě může evoluce přirozeným výběrem vést k proteinům (včetně enzymů), které jsou vhodné pro provádění biologických úkolů, ale přirozený výběr může působit pouze na existující variace sekvence (mutace) a obvykle se vyskytuje po dlouhou dobu. Arnold urychluje proces zavedením mutací do základních sekvencí proteinů; poté testuje účinky těchto mutací. Pokud mutace zlepší funkci proteinů, může pokračovat v iteraci procesu a dále jej optimalizovat. Tato strategie má široké důsledky, protože ji lze použít k návrhu proteinů pro širokou škálu aplikací. Například použila řízenou evoluci k navrhování enzymů, které lze použít k výrobě obnovitelných paliv a farmaceutických sloučenin s menším poškozením životního prostředí.

Jednou výhodou řízené evoluce je, že mutace nemusí být zcela náhodné; místo toho mohou být dostatečně náhodní, aby objevili neprozkoumaný potenciál, ale ne tak náhodní, aby byli neefektivní. Počet možných kombinací mutací je astronomický, ale místo toho, aby se jen náhodně pokusila otestovat co nejvíce, integruje své znalosti z biochemie, aby zúžila možnosti a zaměřila se na zavedení mutací v oblastech proteinu, které pravděpodobně budou mít nejvíce pozitivní účinek na aktivitu a vyhýbání se oblastem, ve kterých by mutace pravděpodobně byly v nejlepším případě neutrální a v nejhorším případě škodlivé (například narušení správného skládání bílkovin).

Arnold aplikoval řízenou evoluci na optimalizaci enzymů (i když to nebyl první člověk, který to udělal, viz např. Barry Hall). Ve své klíčové práci, publikované v roce 1993, použila tuto metodu k vytvoření verze subtilisinu E, který byl aktivní v organickém rozpouštědle DMF , vysoce nepřirozeném prostředí. Práci provedla pomocí čtyř sekvenčních kol mutageneze genu enzymu , exprimovaného bakteriemi, pomocí PCR náchylné k chybám . Po každém kole prověřila enzymy na jejich schopnost hydrolyzovat mléčný protein kasein v přítomnosti DMF pěstováním bakterií na agarových plotnách obsahujících kasein a DMF. Bakterie vylučovaly enzym a pokud by byly funkční, hydrolyzovaly kasein a vytvářely viditelné halo. Vybrala bakterie, které měly největší halo, a izolovala jejich DNA pro další kola mutageneze. Pomocí této metody navrhla enzym, který měl 256krát větší aktivitu v DMF než originál.

Své metody dále rozvinula a aplikovala podle různých selekčních kritérií, aby optimalizovala enzymy pro různé funkce. Ukázala, že zatímco přirozeně se vyvíjející enzymy mají tendenci dobře fungovat v úzkém teplotním rozmezí, enzymy lze vyrábět pomocí řízené evoluce, která by mohla fungovat při vysokých i nízkých teplotách. Kromě zlepšení stávajících funkcí přírodních enzymů, Arnold navrhl enzymy, které vykonávají funkce, pro které neexistovala předchozí specifický enzym, například když se vyvinuly cytochrom P450 provádět cyklopropanace a karbenové a nitrenová přenosu reakce.

Kromě vývoje jednotlivých molekul použila směrovanou evoluci ke společnému vývoji enzymů v biosyntetických drahách, jako jsou ty, které se podílejí na produkci karotenoidů a L-methioninu v Escherichia coli (která má potenciál být použita jako celá buňka biokatalyzátor). Tyto metody aplikovala na výrobu biopaliv . Například vyvinula bakterie k výrobě izobutanolu na biopalivo ; může být produkován v bakteriích E. coli , ale výrobní cesta vyžaduje kofaktor NADPH , zatímco E. coli vytváří kofaktor NADH . Aby tento problém obcházela, vyvinula enzymy v dráze, aby místo NADPH používaly NADH, což umožňovalo produkci isobutanolu.

Arnold také použil řízenou evoluci k navrhování vysoce specifických a účinných enzymů, které mohou být použity jako alternativy šetrné k životnímu prostředí k některým postupům průmyslové chemické syntézy. Ona a další, kteří používají její metody, vyvinuli enzymy, které mohou provádět syntézní reakce rychleji, s menším počtem vedlejších produktů a v některých případech eliminovat potřebu nebezpečných těžkých kovů .

Používá strukturně vedenou proteinovou rekombinaci, aby spojila části různých proteinů a vytvořila proteinové chiméry s jedinečnými funkcemi. Vyvinula výpočetní metody, jako je SCHEMA , k předpovědi, jak lze části kombinovat, aniž by došlo k narušení jejich rodičovské struktury, aby se chiméry správně složily, a poté aplikovala řízenou evoluci k další mutaci chimér k optimalizaci jejich funkcí.

Ve společnosti Caltech provozuje Arnold laboratoř, která pokračuje ve studiu řízené evoluce a jejích aplikací v ekologické chemické syntéze a zelené/alternativní energii, včetně vývoje vysoce aktivních enzymů (celulolytické a biosyntetické enzymy) a mikroorganismů k přeměně obnovitelné biomasy na paliva a Chemikálie. Papír publikovaný v časopise Science v roce 2019, s Inha Cho a Zhi-Jun Jia, byl stažen 2. ledna 2020, protože bylo zjištěno, že výsledky nejsou reprodukovatelné.

Podle Google Scholar má Arnold k roku 2021 h-index 135 .

Osobní život

Arnold žije v La Cañada Flintridge v Kalifornii . Provdala se za Jamese E. Baileyho, který zemřel na rakovinu v roce 2001. Měli syna jménem James Bailey. Arnold byla sama diagnostikována rakovina prsu v roce 2005 a podstoupila léčbu po dobu 18 měsíců.

Arnold byl v manželství common-law s Caltech astrofyzik Andrew E. Lange , počínaje rokem 1994, a oni měli dva syny, William a Joseph. Lange spáchal sebevraždu v roce 2010 a jeden z jejich synů, William Lange-Arnold, zemřel při nehodě v roce 2016.

Mezi její koníčky patří cestování, potápění, lyžování, jízda na kole a pěší turistika.

Vyznamenání a ocenění

Arnoldova práce byla uznána mnoha cenami, včetně Nobelovy ceny za chemii za rok 2018, Draperovy ceny Národní akademie inženýrství (NAE) za rok 2011 (první žena, která ji obdržela) a Národní medaile za technologie a inovace za rok 2011 . V roce 2011 byla zvolena do Americké akademie umění a věd a v roce 2014 uvedena do Síně slávy národních vynálezců. Byla první ženou, která byla zvolena do všech tří národních akademií ve Spojených státech - Národní akademie inženýrství (2000 ), National Academy of Medicine , dříve nazývaný Institute of Medicine (2004), a National Academy of Sciences (2008).

Arnold je v roce 2018 členem Americké asociace pro rozvoj vědy , Americké akademie umění a věd , Americké akademie mikrobiologie , Amerického institutu pro lékařské a biologické inženýrství a mezinárodním členem Královské akademie inženýrství Velké Británie .

V roce 2016 se stala první ženou , která získala cenu Millenium Technology Prize , kterou získala za průkopnickou směrovanou evoluci . V roce 2017, Arnold získal Raymonda a Beverly cenu Sackler v konvergenčním výzkum u National Academy of Sciences , která uznává mimořádný přínos ke sbližování výzkumu.

V roce 2018 jí byla udělena Nobelova cena za chemii za práci v řízené evoluci, což z ní činí pátou ženu, která získala ocenění za 117 let své existence, a první americkou ženu. Získala jednu polovinu podíl udělení, s druhou polovinou společně přiděleného George Smith a Gregory Zima „pro fágový displej z peptidů a protilátek .“ Je první absolventkou Princetonu, které byla udělena Nobelova cena, a první osobou, která získala bakalářský titul z Princetonu (muž nebo žena), která obdržela Nobelovu cenu v jedné z kategorií přírodních věd (chemie, fyzika a fyziologie nebo lék). V listopadu 2018 byla uvedena jako jedna ze 100 žen BBC. 24. října 2019 ji papež František jmenoval členkou Papežské akademie věd .

Vystoupení v populárních médiích

Ztvárnila se v 18. epizodě „The Laureate Accumulation“ 12. sezóny televizního seriálu Teorie velkého třesku . V září 2021 při 10. výročí PME UChicago žertem prohlásila, že tento vzhled byl největším oceněním jejího života.

Viz také

Reference

externí odkazy