Фрэнсис Гамильтон Арнольд (родилась 25 июля 1956 года) [1] — американский инженер-химик и лауреат Нобелевской премии . Она является профессором химической инженерии, биоинженерии и биохимии имени Лайнуса Полинга в Калифорнийском технологическом институте (Калтех). В 2018 году она была удостоена Нобелевской премии по химии за пионерское использование направленной эволюции для создания ферментов . [2]
В 2019 году Alphabet Inc. объявила, что Арнольд вошла в ее совет директоров. С января 2021 года она также является внешним сопредседателем Совета советников по науке и технологиям президента Джо Байдена (PCAST) [3] [4]
Арнольд — дочь Жозефины Инман (урожденной Руто) и физика-ядерщика Уильяма Говарда Арнольда , а также внучка генерал-лейтенанта Уильяма Говарда Арнольда . [5] У нее есть старший брат Билл и три младших брата Эдвард, Дэвид и Томас. Она выросла в пригороде Питтсбурга Эджвуд и в районах Питтсбурга Шейдисайд и Сквиррел-Хилл , окончив среднюю школу Тейлора Олдердайса в 1974 году. [6] Будучи старшеклассницей, она автостопом добралась до Вашингтона, округ Колумбия, в знак протеста против войны во Вьетнаме [7] и жила одна, работая официанткой в местном джаз-клубе и таксистом. [ требуется ссылка ]
Та же независимость, которая заставила Арнольд покинуть дом своего детства в подростковом возрасте, также привела к большому количеству пропусков в школе и низким оценкам. Несмотря на это, она набрала почти идеальные баллы на стандартизированных тестах и была полна решимости поступить в Принстонский университет, альма-матер своего отца. Она подала заявку на специальность инженера-механика и была принята. [8] Мотивацией Арнольд к изучению инженерии, как она заявила в интервью для получения Нобелевской премии, было то, что «[машиностроение] было самым простым вариантом и самым легким способом поступить в Принстонский университет в то время, и я так и не ушла». [9]
Арнольд окончила Принстонский университет в 1979 году, получив степень бакалавра наук (BS) по машиностроению и аэрокосмической технике , где она сосредоточилась на исследованиях солнечной энергии. [10] В дополнение к курсам, необходимым для ее специальности, она посещала занятия по экономике, русскому и итальянскому языкам и представляла себя дипломатом или генеральным директором, даже рассматривая возможность получения ученой степени в области международных отношений. [11] Она взяла годичный отпуск в Принстоне после второго года обучения, чтобы поехать в Италию и поработать на заводе, где производились детали ядерных реакторов , а затем вернулась, чтобы завершить учебу. [12] Вернувшись в Принстон, она начала учиться в Центре энергетических и экологических исследований — группе ученых и инженеров, в то время возглавляемой Робертом Соколовым , работавших над разработкой устойчивых источников энергии, тема, которая станет фокусом ее более поздней работы. [12]
Окончив Принстон в 1979 году, Арнольд работала инженером в Южной Корее и Бразилии, а также в Институте исследований солнечной энергии в Колорадо . [12] В Институте исследований солнечной энергии (ныне Национальная лаборатория возобновляемой энергии) она работала над проектированием солнечных энергетических установок для удаленных мест и помогала писать позиционные документы Организации Объединенных Наций (ООН) . [11]
Затем она поступила в Калифорнийский университет в Беркли , где в 1985 году получила степень доктора философии в области химического машиностроения [13] и глубоко заинтересовалась биохимией. [14] [12] Ее диссертационная работа, выполненная в лаборатории Харви Уоррена Бланча, исследовала методы аффинной хроматографии . [13] [15] Арнольд не имела химического образования до получения докторской степени в области химического машиностроения. В течение первого года ее обучения в аспирантуре в Калифорнийском университете в Беркли потребовала, чтобы она прошла курсы бакалавриата по химии. [8]
Получив степень доктора философии, Арнольд завершила постдокторское исследование в области биофизической химии в Беркли. [16] В 1986 году она присоединилась к Калифорнийскому технологическому институту в качестве приглашенного ассоциированного сотрудника. В 1986 году она была повышена до доцента, в 1992 году — доцента, а в 1996 году — доцента. В 2000 году она была назначена профессором химической инженерии, биоинженерии и биохимии имени Дика и Барбары Дикинсон, а в 2017 году — профессором химической инженерии, биоинженерии и биохимии имени Лайнуса Полинга. [17] В 2013 году она была назначена директором Центра биоинженерии имени Донны и Бенджамина М. Розен в Калифорнийском технологическом институте. [18]
Арнольд работала в Научном совете Института Санта-Фе с 1995 по 2000 год. [19] Она была членом Консультативного совета Объединенного института биоэнергетики . Арнольд возглавляет Консультативную группу стипендий Packard в области науки и техники. Она работала в Президентском Консультативном совете Университета науки и технологий имени короля Абдаллы ( KAUST ). Она была судьей Премии королевы Елизаветы по инженерии и работала с Научно-развлекательным обменом Национальной академии наук, чтобы помочь голливудским сценаристам точно изображать научные темы. [20]
В 2000 году Арнольд был избран членом Национальной инженерной академии за интеграцию основ молекулярной биологии, генетики и биоинженерии на благо наук о жизни и промышленности.
Она является соавтором более 40 патентов США. [14] Она стала соучредителем Gevo, Inc. , компании по производству топлива и химикатов из возобновляемых ресурсов в 2005 году. [14] В 2013 году она и двое ее бывших студентов, Питер Майнхольд и Педро Коэльо, стали соучредителями компании Provivi для исследования альтернатив пестицидам для защиты урожая. [14] [21] [22] Она входит в корпоративный совет геномной компании Illumina Inc. с 2016 года. [23] [24]
В 2019 году она вошла в совет директоров Alphabet Inc. , сделав Арнольд третьей женщиной-директором материнской компании Google. [25]
В январе 2021 года она была назначена внешним сопредседателем Совета советников по науке и технологиям президента Джо Байдена (PCAST). Она работает с переходной командой Байдена, чтобы помочь определить ученых для должностей в администрации. Она говорит, что ее главная работа сейчас — помогать выбирать дополнительных членов PCAST и приступить к работе по созданию научной повестки дня для группы. Она заявила: «Мы должны восстановить важность науки в разработке политики, в принятии решений во всем правительстве. Нам нужно восстановить доверие американского народа к науке... Я думаю, что PCAST может сыграть в этом полезную роль». [26]
Арнольду приписывают пионерское использование направленной эволюции для создания ферментов (биохимических молекул — часто белков — которые катализируют или ускоряют химические реакции) с улучшенными и/или новыми функциями. [27] Стратегия направленной эволюции включает в себя итеративные раунды мутагенеза и скрининга белков с улучшенными функциями, и она использовалась для создания полезных биологических систем , включая ферменты , метаболические пути , генетические регуляторные схемы и организмы. В природе эволюция путем естественного отбора может привести к белкам (включая ферменты), хорошо подходящим для выполнения биологических задач, но естественный отбор может действовать только на существующие вариации последовательностей (мутации) и обычно происходит в течение длительных периодов времени. [28] Арнольд ускоряет процесс, вводя мутации в базовые последовательности белков; затем она проверяет эффекты этих мутаций. Если мутация улучшает функцию белков, она может продолжать итерировать процесс, чтобы оптимизировать его дальше. Эта стратегия имеет широкие последствия, поскольку ее можно использовать для обнаружения белков для самых разных приложений. [29] Например, она использовала направленную эволюцию для открытия ферментов, которые можно использовать для производства возобновляемого топлива и фармацевтических соединений с меньшим вредом для окружающей среды. [27]
Одним из преимуществ направленной эволюции является то, что мутации не обязательно должны быть полностью случайными; вместо этого они могут быть достаточно случайными, чтобы обнаружить неисследованный потенциал, но не настолько случайными, чтобы быть неэффективными. Количество возможных комбинаций мутаций астрономическое, но вместо того, чтобы просто наугад пытаться проверить как можно больше, она объединяет свои знания биохимии, чтобы сузить варианты, сосредоточившись на введении мутаций в областях белка, которые, вероятно, окажут наиболее положительное влияние на активность, и избегая областей, в которых мутации, вероятно, будут, в лучшем случае, нейтральными, а в худшем — вредными (например, нарушат правильное сворачивание белка). [27]
Арнольд применила направленную эволюцию к оптимизации ферментов (хотя она не была первым человеком, сделавшим это, см., например, Барри Холла [30] ). В [27] своей основополагающей работе, опубликованной в 1993 году, она использовала этот метод для разработки версии субтилизина E, которая была активна в органическом растворителе ДМФА , крайне неестественной среде. [31] Она выполнила работу, используя четыре последовательных раунда мутагенеза гена фермента , экспрессируемого бактериями, посредством подверженной ошибкам ПЦР . После каждого раунда она проверяла ферменты на их способность гидролизовать молочный белок казеин в присутствии ДМФА, выращивая бактерии на агаровых пластинах, содержащих казеин и ДМФА. Бактерии секретировали фермент, и, если он был функциональным, он гидролизовал казеин и создавал видимый ореол. Она отобрала бактерии с самыми большими ореолами и изолировала их ДНК для дальнейших раундов мутагенеза. [27] Используя этот метод, она обнаружила фермент, который имел в 256 раз большую активность в ДМФ, чем исходный. [32]
Она далее разработала свои методы и применила их при различных критериях отбора, чтобы оптимизировать ферменты для различных функций. Она показала, что, в то время как естественно эволюционировавшие ферменты, как правило, хорошо функционируют в узком диапазоне температур, ферменты могут быть получены с помощью направленной эволюции, которая может функционировать как при высоких, так и при низких температурах. [27] В дополнение к улучшению существующих функций природных ферментов, Арнольд открыла ферменты, которые выполняют функции, для которых ранее не существовало специфических ферментов, например, когда она эволюционировала цитохром P450 для проведения циклопропанирования [33] и реакций переноса карбена и нитрена . [27] [34]
В дополнение к эволюции отдельных молекул, она использовала направленную эволюцию для совместной эволюции ферментов в биосинтетических путях, таких как те, которые участвуют в производстве каротиноидов [35] и L-метионина [36] в Escherichia coli (который имеет потенциал для использования в качестве биокатализатора всей клетки). [27] Она применила эти методы к производству биотоплива . Например, она эволюционировала бактерии для производства биотоплива изобутанол ; его можно производить в бактериях E. coli , но для производственного пути требуется кофактор NADPH , тогда как E. coli производит кофактор NADH . Чтобы обойти эту проблему, она эволюционировала ферменты в пути для использования NADH вместо NADPH, что позволяет производить изобутанол. [27] [37]
Арнольд также использовала направленную эволюцию для открытия высокоспецифичных и эффективных ферментов, которые могут быть использованы в качестве экологически чистых альтернатив некоторым промышленным химическим процедурам синтеза. [27] Она и другие, использующие ее методы, разработали ферменты, которые могут проводить реакции синтеза быстрее, с меньшим количеством побочных продуктов, а в некоторых случаях устраняя необходимость в опасных тяжелых металлах . [32]
Она использует структурно-управляемую рекомбинацию белков для объединения частей различных белков для формирования белковых химер с уникальными функциями. Она разработала вычислительные методы, такие как SCHEMA , для прогнозирования того, как части могут быть объединены без нарушения их родительской структуры, так что химеры будут правильно складываться, а затем применяет направленную эволюцию для дальнейшей мутации химер с целью оптимизации их функций. [38] [39]
В Калтехе Арнольд руководит лабораторией, которая продолжает изучать направленную эволюцию и ее применение в экологически чистом химическом синтезе и зеленой/альтернативной энергетике, включая разработку высокоактивных ферментов (целлюлолитических и биосинтетических ферментов) и микроорганизмов для преобразования возобновляемой биомассы в топливо и химикаты. Статья, опубликованная в Science в 2019 году с Инха Чо и Чжи-Джун Цзя, была отозвана 2 января 2020 года, поскольку результаты оказались невоспроизводимыми. [40]
По данным Google Scholar , по состоянию на 2024 год индекс Хирша[обновлять] у Арнольда составляет 147. [41]
Арнольд живет в Ла-Каньяда-Флинтридж, Калифорния . Она была замужем за Джеймсом Э. Бейли с 1987 по 1991 год, который умер от рака в 2001 году. [42] [23] У пары был Джеймс Говард Бейли (родился в 1990 году). Ее пасынок Шон Бейли — американский кино- и телепродюсер. Он был президентом Walt Disney Studios Motion Picture Production с момента своего назначения в 2010 году. [43] У самой Арнольд был диагностирован рак груди в 2005 году, и она проходила лечение в течение 18 месяцев. [44]
Арнольд состояла в гражданском браке с астрофизиком из Калифорнийского технологического института Эндрю Э. Ланге [ 45] с 1994 года, и у них было двое сыновей, Уильям Эндрю Ланге (1995) и Джозеф Инман Ланге (1997). [46] [43] Ланге покончила жизнь самоубийством в 2010 году, а один из их сыновей, Уильям Ланге-Арнольд, погиб в результате несчастного случая в 2016 году. [23] Ее отец, Уильям Говард Арнольд, умер в 2015 году. [47]
Ее хобби включают путешествия, подводное плавание, катание на лыжах, езду на мотоцикле по бездорожью и походы. [44]
Работа Арнольд была отмечена многими наградами, включая Нобелевскую премию по химии 2018 года, премию Дрейпера Национальной академии инженерии (NAE) 2011 года (первая женщина, получившая ее) и Национальную медаль за технологии и инновации 2011 года . [17] Она была избрана в Американскую академию искусств и наук в 2011 году и включена в Национальный зал славы изобретателей в 2014 году. [17] Она была первой женщиной, избранной во все три национальные академии в Соединенных Штатах — Национальную академию инженерии (2000), Национальную академию медицины , ранее называвшуюся Институтом медицины (2004), и Национальную академию наук (2008). [17]
Арнольд является членом Американской ассоциации содействия развитию науки , Американской академии искусств и наук , Американской академии микробиологии , Американского института медицинской и биологической инженерии и международным членом Королевской инженерной академии Великобритании в 2018 году. [48] [49]
В 2016 году она стала первой женщиной, получившей Премию за технологии тысячелетия , которую она получила за пионерскую направленную эволюцию . [50] В 2017 году Арнольд была награждена премией Рэймонда и Беверли Саклер в области исследований конвергенции Национальной академией наук , которая отмечает выдающийся вклад в исследования конвергенции. [51]
В 2018 году она была удостоена Нобелевской премии по химии за свою работу в области направленной эволюции, что сделало ее пятой женщиной, получившей эту премию за 117 лет ее существования, и первой американкой. [52] [53] Она получила половину премии, а другая половина была совместно вручена Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру «за фаговый дисплей пептидов и антител ». [27] Она стала первой женщиной-выпускницей Принстона , удостоенной Нобелевской премии, и первым человеком, получившим степень бакалавра в Принстоне (мужчина или женщина ) , который получил Нобелевскую премию в одной из категорий естественных наук (химия, физика и физиология или медицина). [10] В ноябре 2018 года она была включена в список 100 женщин по версии BBC. [54] 24 октября 2019 года Папа Франциск назвал ее членом Папской академии наук . [55] В 2022 году она была гостем в эпизоде The Life Scientific на BBC Radio 4. [ 56]
Она изобразила себя в 18-м эпизоде «Накопление лауреатов» 12-го сезона сериала « Теория большого взрыва» . [77] В сентябре 2021 года в 10-ю годовщину PME UChicago она в шутку заявила, что это появление было величайшей наградой в ее жизни. Она также появилась в кратком интервью в эпизоде NOVA «За стихиями: Жизнь» . 6 сентября 2022 года она дала интервью Джиму Аль-Халили на программе BBC « The Life Scientific». [56]
Наука — это легко, люди — это действительно очень трудно