Frances Arnold - Frances Arnold

Frances Arnold
Frances Arnold, PCAST ​​Co-Chair (beskåret) .jpg
Medformann i presidentens råd for rådgivere om vitenskap og teknologi
Antatt kontor
20. januar 2021
Serverer med Maria Zuber
President Joe Biden
Foregitt av Stillingen er etablert
Personlige opplysninger
Født
Frances Hamilton Arnold

( 1956-07-25 )25. juli 1956 (65 år)
Edgewood, Pennsylvania , USA
Ektefelle (r)
​
(skilt)
Samboer Andrew E. Lange (1994–2010)
utdanning Princeton University ( BS )
University of California, Berkeley ( MS , PhD )
Utmerkelser 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 Prize in Chemistry (2018)
Vitenskapelig karriere
Enger Kjemiteknikk
bioteknologi
Biokjemi
Institusjoner California Institute of Technology
Avhandling Design og oppskalering av affinitetsseparasjoner  (1985)
Doktorgradsrådgiver Harvey W. Blanch
Doktorgradsstudenter Christopher Voigt
Huimin Zhao

Frances Hamilton Arnold (født 25. juli 1956) er en amerikansk kjemisk ingeniør og nobelprisvinnende . Hun er Linus Pauling -professor i kjemiteknikk, bioingeniør og biokjemi ved California Institute of Technology (Caltech). I 2018 ble hun tildelt Nobelprisen i kjemi for å være banebrytende for bruk av rettet evolusjon for å konstruere enzymer .

Siden januar 2021 fungerer hun som en ekstern co-chair of President Joe Biden 's Council of Advisors på Science and Technology (PCAST).

tidlig liv og utdanning

Arnold er datter av Josephine Inman (née Routheau) og atomfysiker William Howard Arnold , og barnebarnet til generalløytnant William Howard Arnold . Hun vokste opp i Pittsburgh -forstaden Edgewood , og Pittsburgh -nabolagene Shadyside og Squirrel Hill , og ble uteksaminert fra byens Taylor Allderdice High School i 1974. Som ungdomsskole dro hun til Washington, DC for å protestere mot Vietnamkrigen og bodde alene. jobbet som cocktail -servitør på en lokal jazzklubb og en drosjesjåfør.

Den samme uavhengigheten som drev Arnold til å flytte ut av barndomshjemmet som tenåring, førte også til et stort antall fravær fra skolen og lave karakterer. Til tross for dette gjorde hun nesten perfekte poeng på standardiserte tester og var fast bestemt på å gå på Princeton University, farens alma mater. Hun søkte som maskinteknisk hovedfag og ble akseptert. Arnolds motivasjon bak å studere ingeniørfag, som nevnt i hennes nobelprisintervju, var at "[maskinteknikk] var det enkleste alternativet og den enkleste måten å komme inn på Princeton University på den tiden, og jeg dro aldri".

Arnold ble uteksaminert i 1979 med en BS -grad i mekanisk og romfartsteknikk fra Princeton University , hvor hun fokuserte på solenergiforskning. I tillegg til kursene som kreves for hovedfag, tok hun kurs i økonomi, russisk og italiensk, og så for seg at hun skulle bli diplomat eller administrerende direktør, selv om hun vurderte å få en avansert grad i internasjonale saker. Hun tok et år fri fra Princeton etter sitt andre år for å reise til Italia og jobbe på en fabrikk som laget atomreaktordeler , og returnerte deretter for å fullføre studiene. Tilbake på Princeton begynte hun å studere ved Center for Energy and Environmental Studies - en gruppe forskere og ingeniører, på den tiden ledet av Robert Socolow , som jobbet med å utvikle bærekraftige energikilder, et tema som skulle bli et fokus for hennes senere arbeid.

Etter eksamen fra Princeton i 1979 jobbet Arnold som ingeniør i Sør -Korea og Brasil og ved Colorado's Solar Energy Research Institute . Ved Solar Energy Research Institute (nå National Renewable Energy Laboratory) jobbet hun med å designe solenergianlegg for avsidesliggende steder og hjalp til med å skrive FNs (FN) posisjonspapirer .

Hun meldte seg deretter inn ved University of California, Berkeley , hvor hun tok en doktorgrad. grad i kjemiteknikk i 1985 og ble dypt interessert i biokjemi. Avhandlingsarbeidet hennes, utført i laboratoriet til Harvey Warren Blanch, undersøkte affinitetskromatografiteknikker . Arnold hadde ingen kjemi bakgrunn før han tok en doktorgrad i kjemiteknikk. Det første året av Ph.D. kurs, krevde kandidatkomiteen ved UC Berkeley at hun skulle ta grunnkurs i kjemi.

Karriere

Etter å ha oppnådd sin doktorgrad, fullførte Arnold postdoktoral forskning i biofysisk kjemi ved Berkeley. I 1986 begynte hun i California Institute of Technology som besøksmedarbeider. Hun ble forfremmet til adjunkt i 1986, førsteamanuensis i 1992 og full professor i 1996. Hun ble kåret til Dick og Barbara Dickinson professor i kjemiteknikk, bioingeniør og biokjemi i 2000 og, hennes nåværende stilling, Linus Pauling professor i kjemikalier Engineering, Bioengineering and Biochemistry i 2017. I 2013 ble hun utnevnt til direktør for Caltech's Donna og Benjamin M. Rosen Bioengineering Center.

Arnold tjenestegjorde i Science Board for Santa Fe Institute fra 1995–2000. Hun var medlem av Advisory Board for Joint BioEnergy Institute . Arnold leder rådgivende panel for Packard Fellowships in Science and Engineering. Hun tjenestegjorde i presidentens rådgivende råd ved King Abdullah University of Science and Technology ( KAUST ). Hun fungerte som dommer for Queen Elizabeth Prize for Engineering og jobbet med National Academy of Science's Science & Entertainment Exchange for å hjelpe Hollywood -manusforfattere å fremstille vitenskapelige emner nøyaktig.

I 2000 ble Arnold valgt til medlem av National Academy of Engineering for integrering av grunnleggende i molekylærbiologi, genetikk og bioingeniør til fordel for biovitenskap og industri.

Hun er medoppfinner på over 40 amerikanske patenter. Hun var med på å grunnlegge Gevo, Inc. , et selskap for å lage drivstoff og kjemikalier av fornybare ressurser i 2005. I 2013 grunnla hun og to av hennes tidligere studenter, Peter Meinhold og Pedro Coelho, et selskap som heter Provivi for å undersøke alternativer til plantevernmidler for plantebeskyttelse. Hun har vært på bedriftens styre genomikk selskap Illumina Inc. siden 2016.

I 2019 ble hun utnevnt til styret i Alphabet Inc. , noe som gjorde Arnold til den tredje kvinnelige direktøren for morselskapet i Google.

I januar 2021 ble hun utnevnt til en ekstern medformann i president Joe Biden's Council of Advisors on Science and Technology (PCAST). Hun jobber med Bidens overgangsteam for å hjelpe til med å identifisere forskere for roller i administrasjonen. Hun sier at hovedjobben hennes nå er å hjelpe til med å velge PCASTs ekstra medlemmer og komme i gang med å sette en vitenskapelig agenda for gruppen. Hun har uttalt: “Vi må gjenopprette vitenskapens betydning for politikkutforming, i beslutningsprosesser på tvers av regjeringen. Vi må gjenopprette det amerikanske folks tillit til vitenskap ... Jeg tror at PCAST ​​kan spille en gunstig rolle i det. ”

Forskning

Arnold får æren for å være banebrytende for bruk av styrt evolusjon for å lage enzymer (biokjemiske molekyler - ofte proteiner - som katalyserer eller fremskynder kjemiske reaksjoner) med forbedrede og/eller nye funksjoner. Den målrettede evolusjonsstrategien innebærer iterative runder med mutagenese og screening for proteiner med forbedrede funksjoner, og den har blitt brukt til å lage nyttige biologiske systemer , inkludert enzymer , metabolske veier , genetiske reguleringskretser og organismer. I naturen kan evolusjon ved naturlig seleksjon føre til proteiner (inkludert enzymer) som er godt egnet til å utføre biologiske oppgaver, men naturlig seleksjon kan bare virke på eksisterende sekvensvariasjoner (mutasjoner) og skjer vanligvis over lange tidsperioder. Arnold fremskynder prosessen ved å introdusere mutasjoner i de underliggende sekvensene av proteiner; hun tester deretter disse mutasjoners effekter. Hvis en mutasjon forbedrer proteinenes funksjon, kan hun fortsette å gjenta prosessen for å optimalisere den ytterligere. Denne strategien har brede implikasjoner fordi den kan brukes til å designe proteiner for en lang rekke applikasjoner. For eksempel har hun brukt rettet evolusjon til å designe enzymer som kan brukes til å produsere fornybart drivstoff og farmasøytiske forbindelser med mindre skade på miljøet.

En fordel med rettet evolusjon er at mutasjonene ikke trenger å være helt tilfeldige; i stedet kan de være tilfeldige nok til å oppdage uutforsket potensial, men ikke så tilfeldig at de er ineffektive. Antall mulige mutasjonskombinasjoner er astronomisk, men i stedet for å tilfeldigvis prøve å teste så mange som mulig, integrerer hun sin kunnskap om biokjemi for å begrense alternativene, med fokus på å introdusere mutasjoner i områder av proteinet som sannsynligvis vil ha mest positiv effekt på aktivitet og unngå områder der mutasjoner sannsynligvis i beste fall vil være nøytrale og i verste fall skadelige (for eksempel å forstyrre riktig proteinfolding).

Arnold brukte rettet evolusjon på optimalisering av enzymer (selv om det ikke var den første personen som gjorde det, se f.eks. Barry Hall). I sitt hovedarbeid, publisert i 1993, brukte hun metoden til å konstruere en versjon av subtilisin E som var aktiv i det organiske løsningsmidlet DMF , et svært unaturlig miljø. Hun utførte arbeidet ved å bruke fire sekvensielle runder med mutagenese av enzymets gen , uttrykt av bakterier, gjennom feilutsatt PCR . Etter hver runde undersøkte hun enzymene for deres evne til å hydrolysere melkeproteinet kasein i nærvær av DMF ved å dyrke bakteriene på agarplater som inneholder kasein og DMF. Bakteriene utskiller enzymet, og hvis det var funksjonelt, ville det hydrolysere kaseinet og produsere en synlig glorie. Hun valgte ut bakteriene som hadde de største gloriene og isolerte DNA for ytterligere runder med mutagenese. Ved å bruke denne metoden designet hun et enzym som hadde 256 ganger mer aktivitet i DMF enn originalen.

Hun har videreutviklet metodene sine og brukt dem under forskjellige utvalgskriterier for å optimalisere enzymer for forskjellige funksjoner. Hun viste at mens naturlig utviklede enzymer har en tendens til å fungere godt ved et smalt temperaturområde, kan enzymer produseres ved hjelp av rettet evolusjon som kan fungere ved både høye og lave temperaturer. I tillegg til å forbedre de eksisterende funksjonene til naturlige enzymer, har Arnold designet enzymer som utfører funksjoner som det ikke fantes noe tidligere spesifikt enzym for, for eksempel da hun utviklet cytokrom P450 for å utføre syklopropanering og karbene og nitrenoverføringsreaksjoner .

I tillegg til å utvikle individuelle molekyler, har hun brukt rettet evolusjon til å co-utvikle enzymer i biosyntetiske veier, for eksempel de som er involvert i produksjonen av karotenoider og L-metionin i Escherichia coli (som har potensial til å brukes som en helcelle biokatalysator). Hun har brukt disse metodene for produksjon av biodrivstoff . For eksempel utviklet hun bakterier for å produsere biodrivstoffet isobutanol ; den kan produseres i E. coli -bakterier, men produksjonsveien krever kofaktor NADPH , mens E. coli lager kofaktor NADH . For å omgå dette problemet utviklet hun enzymene i veien til å bruke NADH i stedet for NADPH, noe som muliggjorde produksjon av isobutanol.

Arnold har også brukt rettet evolusjon til å designe svært spesifikke og effektive enzymer som kan brukes som miljøvennlige alternativer til noen industrielle kjemiske synteseprosedyrer. Hun og andre som bruker metodene hennes, har konstruert enzymer som kan utføre syntesereaksjoner raskere, med færre biprodukter, og i noen tilfeller eliminere behovet for farlige tungmetaller .

Hun bruker strukturstyrt proteinrekombinasjon for å kombinere deler av forskjellige proteiner for å danne proteinkimærer med unike funksjoner. Hun utviklet beregningsmetoder, for eksempel SCHEMA , for å forutsi hvordan delene kan kombineres uten å forstyrre foreldrestrukturen, slik at kimærene bretter seg ordentlig, og bruker deretter rettet evolusjon for å mutere kimærene ytterligere for å optimalisere funksjonene.

På Caltech driver Arnold et laboratorium som fortsetter å studere rettet evolusjon og dets anvendelser innen miljøvennlig kjemisk syntese og grønn/alternativ energi, inkludert utvikling av svært aktive enzymer (cellulolytiske og biosyntetiske enzymer) og mikroorganismer for å konvertere fornybar biomasse til drivstoff og kjemiske stoffer. Et papir publisert i Science i 2019, med Inha Cho og Zhi-Jun Jia, er trukket tilbake 2. januar 2020, ettersom resultatene ble funnet å ikke være reproduserbare.

Fra og med 2021 har Arnold en h-indeks på 135 ifølge Google Scholar .

Personlige liv

Arnold bor i La Cañada Flintridge, California . Hun var gift med James E. Bailey som døde av kreft i 2001. De hadde en sønn som het James Bailey. Arnold fikk selv diagnosen brystkreft i 2005 og gjennomgikk behandling i 18 måneder.

Arnold var i et felles ekteskap med Caltech astrofysiker Andrew E. Lange , som begynte i 1994, og de hadde to sønner, William og Joseph. Lange begikk selvmord i 2010, og en av sønnene deres, William Lange-Arnold, døde i en ulykke i 2016.

Hobbyene hennes inkluderer reise, dykking, ski, terrengsykkel og fotturer.

Ære og priser

Arnolds arbeid har blitt anerkjent av mange priser, inkludert Nobelprisen i kjemi i 2018 , National Academy of Engineering (NAE) Draper Prize 2011 (den første kvinnen som mottok den), og en 2011 National Medal of Technology and Innovation . Hun ble valgt til American Academy of Arts and Sciences i 2011 og tatt opp i National Inventors Hall of Fame i 2014. Hun var den første kvinnen som ble valgt til alle tre nasjonale akademiene i USA - National Academy of Engineering (2000) ), National Academy of Medicine , tidligere kalt Institute of Medicine (2004), og National Academy of Sciences (2008).

Arnold er stipendiat i American Association for the Advancement of Science , American Academy of Arts and Sciences , American Academy of Microbiology , American Institute for Medical and Biological Engineering og en internasjonal stipendiat ved Storbritannias Royal Academy of Engineering i 2018.

I 2016 ble hun den første kvinnen som vant Millennium Technology Prize , som hun vant for banebrytende regissert evolusjon . I 2017 ble Arnold tildelt Raymond og Beverly Sackler -prisen i konvergensforskning av National Academy of Sciences , som anerkjenner ekstraordinære bidrag til konvergensforskning.

I 2018 ble hun tildelt Nobelprisen i kjemi for sitt arbeid med regissert evolusjon, noe som gjorde henne til den femte kvinnen som mottok prisen i sine 117 års eksistens, og den første amerikanske kvinnen. Hun mottok en halv andel av prisen, med den andre halvdelen i fellesskap tildelt George Smith og Gregory Winter "for fagvisning av peptider og antistoffer ." Hun er den første kvinnelige kandidaten fra Princeton som ble tildelt en nobelpris og den første personen som fikk sin bachelorgrad fra Princeton (mann eller kvinne) som mottok en nobelpris i en av naturvitenskapskategoriene (kjemi, fysikk og fysiologi eller medisin). I november 2018 ble hun oppført som en av BBCs 100 kvinner. 24. oktober 2019 utnevnte pave Frans henne til medlem av Pontifical Academy of Sciences .

Opptredener i populære medier

Hun fremstilte seg selv i den 18. episoden "The Laureate Accumulation" av 12. sesong av TV -serien The Big Bang Theory . I september 2021 i 10 -årsjubileet for PME UChicago hevdet hun spøkefullt at dette utseendet var hennes livs største anerkjennelse.

Se også

Referanser

Eksterne linker