FRANCES ARNOLD
Od konobarice do Nobelove nagrade za kemiju
Manager.ba/quantumjk.blogspot.com Znanost 11 veljače, 2020
Izvor fotografije:
quantumjk.blogspot.com

Kada je 2017. Frances Arnold dobila Nobelovu nagradu za kemiju, postala je tek peta žena koja je dobila Nobelovu nagradu u ovoj kategoriji. Prva je bila Marie Curie, druga Irene Joliot-Curie, treća Dorothy Crowfoot Hodgkin, a četvrta Ada E. Yonath. Arnold je nagradu dobila za "usmjerenu evoluciju enzima".

 

Što je to "usmjerena evolucija" (directed evolution)? Riječ "evolucija" povezujemo sa živim sistemima, ali ne s molekulama, čak ni onim kompleksnim, poput proteina, kakvi su enzimi. To je način transformiranja enzima u još efikasnije katalizatore. 

Frances Arnold je rođena 25. srpnja/jula 1956. godine u mjestu Edgewood, savezna država Pennsylvania. Njen otac, William Howard Arnold, bio je nuklearni fizičar, a djed, William Howard Arnold, general u Drugom svjetskom ratu. 

Kao djevojka sudjelovala je u protestima protiv rata u Vijetnamu. U to doba je već živjela samostalno, i kao dosta američke mladeži, radila različite poslove kako bi samu sebe izdržavala. Radila je kao konobarica u džez klubovima i kao taksista. Željela se baviti diplomacijom i poduzetništvom, ali prema njenim vlastitim riječima, shvatila je kako je to previše posla.

1979. diplomira zrakoplovstvo inženjerstvo na Princetonu i kao da joj to nije bilo dovoljno, prelazi na Berkeley gdje na kraju doktorira kemiju, nakon čega postaje suradnik na California Institute of Technology, što je institucija na kojoj i danas radi, kao Linus Pauling Professor of Chemical Engineering, Bioengineering and Biochemistry.

Frances je osamdesetih godina počela istraživati enzime, molekule koje u živom svijetu imaju ulogu vrlo specifičnih katalizatora kemijskih reakcija. Tada su naučnici pokušavali redizajnirati molekule određenih enzima, tako da dobiju slične molekule s drugačijim svojstvima. 

Princip ovog redizajniranja je bio da se nešto promijeni u strukturi molekule enzima tako da ona može djelovati i na nešto drugo. Međutim, problem ovog pristupa ležao je u činjenici da su enzimi proteini, izgrađeni od svega 20 vrsta "cigala" - 20 tipova aminokiselina koje se mogu vezivati u praktično neograničenom broju kombinacija i broju elemenata. Čak ni tu nije kraj jer varijabilnost enzima ovisi i o njihovoj 3D strukturi. Mijenjati ovako kompleksne sisteme i djelovati na njihovu arhitekturu je vrlo težak posao.

Suočeni sa superiornošću prirode i rezultata procesa koji su se dešavali 3 milijarde godina, naučnici su devedesetih godina počeli odustajati od inženjerskog pristupa u rješavanju ovog problema. Sama Arnold će započeti s jednim potpuno drugačijim, a opet tako dobro poznatim metodom: evolucijom. Inženjerska metoda će jedne prilike nazvati "ponešto arogantnim".

Arnold se počinje baviti enzimom subtiliranom, proteazom (znači da ovaj enzim razgrađuje druge proteine) koja djeluje na peptidnu vezu u vodenoj sredini. Zapravo, enzimi djeluju u vodenoj sredini jer je voda prirodni rastvarač u našem tijelu. Međutim, Arnold je htjela dobiti inačicu ovog enzima koja će moći djelovati u dimetilformamidu (DMF). Sam subtilisin ima veliku komercijalnu vrijednost u industriji i koristi se za rastvaranje mrlja proteinskog porijekla u deterdžentima, zatim u kozmetici, u prehrambenoj industriji. 

Enzim se inicijalno dobivao od bakterije Bacillus subtilis.

 

 

Suočeni sa superiornošću prirode i rezultata procesa koji su se dešavali 3 milijarde godina, naučnici su devedesetih godina počeli odustajati od inženjerskog pristupa u rješavanju ovog problema. Sama Arnold će započeti s jednim potpuno drugačijim, a opet tako dobro poznatim metodom: evolucijom. Inženjerska metoda će jedne prilike nazvati "ponešto arogantnim".

Arnold se počinje baviti enzimom subtiliranom, proteazom (znači da ovaj enzim razgrađuje druge proteine) koja djeluje na peptidnu vezu u vodenoj sredini.

Zapravo, enzimi djeluju u vodenoj sredini jer je voda prirodni rastvarač u našem tijelu. Međutim, Arnold je htjela dobiti inačicu ovog enzima koja će moći djelovati u dimetilformamidu (DMF). Sam subtilisin ima veliku komercijalnu vrijednost u industriji i koristi se za rastvaranje mrlja proteinskog porijekla u deterdžentima, zatim u kozmetici, u prehrambenoj industriji. 

Enzim se inicijalno dobivao od bakterije Bacillus subtilis.

Struktura jedne od varijanti subtilirana

Kako promijeniti protein, u ovom slučaju, enzim? Ključ postupka leži u mijenjaju genetičke šifre za taj protein, dakle u mijenjanju gena. Arnold je kreirala slučajne promjene - mutacije na genu koji kodira subtilisin i onda je te gene tako izmijenjene unijela u bakterije. Takve bakterije su proizvodile nove varijante enzima. Neke od njih su bile inaktivne, a neke aktivne i imale nova svojstva. 

Međutim, u doba kada je Arnold ovo radila, metode sekvencioniranja genetičkog koda i induciranja mutacija nisu bile ovako razvijene kao danas. Zapravo, onda je mogla proizvoditi samo slučajne promjene i onda poslije promatrati što se desilo s proteinom. Danas se usmjerena evolucija može raditi i pomoću vektora-plazmida, pomoću transpozona, a možda bi moglo i pomoću CRISPR (nemam podatke da li se ovo radi).

Od dobivenih formi enzima (izo-forme), Arnold je selektirala one koje su bile aktivne u organskom rastvaraču. Zapravo, onda je bila taj selekcijski pritisak, ono što se javlja u prirodi. Subtilisin razgrađuje kazein iz mlijeka i Arnold je krenula istraživati koje to varijante enzima mogu razlagati kazein i kada se nađu u DMF. Pronašla je varijante enzima koje su najefikasnije u rastvoru DMF-a i te varijante odvojila.

Zatim je krenula na novi krug mutageneze enzima za subtilisin i dobila još efikasniji enzim. U trećoj rundi ("generaciji"), uspjela je dobiti enzim koji je 256x efikasniji u DMF od originalnog enzima. 

Njen rad je potpuna pobjeda stohastičkih procesa, koncepta slučaja i nužnosti i koncepta evolucije, stvari koje se mogu dešavati mimo čiste ljudske racionalnosti, prava kritika "čistog uma" u laboratoriji. 

Kada postignete ovakve stvari, i još ste uspješni u poslovnom svijetu, samo nebo je granica i često ljudi pomisle da su nepogrešivi, gube skromnost i zaborave kako je nauka provjerljiv sistem. To se nije dogodilo Frances Arnold.

2020. ona povlači svoj rad o enzimatskoj sintezi beta-laktama jer taj rad nije bio reproducibilan, nije se mogao ponoviti s objavljenim rezultatima. Rad je objavljen u prestižnom AAAS-ovom Science magazine 2019. 

"Bolno je to priznati, ali je važno da se to uradi. Svima se ispričavam. Bila sam jako zauzeta kada sam predala rad i nisam svoj posao dobro uradila", izjavila je Arnold u twittu:

Veličanstveno je što je priznala grešku, i radi se o moralno važnom činu za cijelu naučnu zajednicu. Hvala, Frances Arnold!


Ovaj tekst je nastao uz podršku Ambasade Sjedinjenih Američkih Država u BiH u okviru projekta "U.S. Scientists Who Changed the World" i zahvaljujemo se Ambasadi SAD. 

 

O Autoru
Manager.ba/quantumjk.blogspot.com
Video
VIDEO
Mate Rimac: Poznat mi je osjećaj kad puno radiš, a ne znaš hoće li firma preživjeti do idućeg tjedna
VIDEO
Život je igra! Kako pobijediti? | Velimir Srića | TEDxUniversityofZagreb
VIDEO
Zagrebačka škola ekonomije i menadžmenta