Frances Arnold- Frances Arnold

Frances Arnold
Frances Arnold, PCAST ​​Co-Vorsitzende (beschnitten).jpg
Co-Vorsitzender des Beirats des Präsidenten für Wissenschaft und Technologie
Übernahme des Amtes
20. Januar 2021
Servieren mit Maria Zuber
Präsident Joe Biden
Vorangestellt Position etabliert
Persönliche Daten
Geboren
Frances Hamilton Arnold

( 1956-07-25 )25. Juli 1956 (65 Jahre)
Edgewood, Pennsylvania , USA
Ehepartner
(geschieden)
Lebenspartner Andrew E. Lange (1994–2010)
Ausbildung Princeton University ( BS )
University of California, Berkeley ( MS , PhD )
Auszeichnungen Garvan-Olin-Medaille (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)
Nobelpreis für Chemie (2018)
Wissenschaftlicher Werdegang
Felder Chemieingenieurwesen
Bioingenieurwesen
Biochemie
Institutionen Kalifornisches Institut der Technologie
These Design und Scale-Up von Affinitätstrennungen  (1985)
Doktoratsberater Harvey W. Blanch
Doktoranden Christopher Voigt
Huimin Zhao

Frances Hamilton Arnold (* 25. Juli 1956) ist eine US-amerikanische Chemieingenieurin und Nobelpreisträgerin . Sie ist Linus-Pauling- Professorin für Chemieingenieurwesen, Bioingenieurwesen und Biochemie am California Institute of Technology (Caltech). 2018 erhielt sie den Nobelpreis für Chemie für ihre Pionierarbeit bei der Nutzung der gerichteten Evolution zur Entwicklung von Enzymen .

Seit Januar 2021 dient sie als externe Mitvorsitzender Präsident Joe Biden ‚s Council of Advisors für Wissenschaft und Technologie (PCAST).

Frühes Leben und Ausbildung

Arnold ist die Tochter von Josephine Inman (geb. Routheau) und dem Kernphysiker William Howard Arnold und die Enkelin von Generalleutnant William Howard Arnold . Sie wuchs in bis Pittsburgh Vorort Edgewood , und Pittsburgh Nachbarschaften von Shadyside und Eichhörnchen - Hügel , Abschluss an der Stadt Taylor Allderdice Gymnasium in 1974. Als High - Schooler, sie per Anhalter nach Washington, DC , die aus Protest Vietnam - Krieg und lebte auf ihrem eigenen, arbeitete als Cocktailkellnerin in einem lokalen Jazzclub und als Taxifahrer.

Die gleiche Unabhängigkeit, die Arnold als Teenager dazu veranlasste, aus dem Elternhaus auszuziehen, führte auch zu vielen Schulabbrüchen und schlechten Noten. Trotzdem erzielte sie bei standardisierten Tests nahezu perfekte Ergebnisse und war entschlossen, die Princeton University, die Alma Mater ihres Vaters, zu besuchen. Sie bewarb sich als Hauptfach Maschinenbau und wurde angenommen. Arnolds Motivation für das Studium der Ingenieurwissenschaften war, wie in ihrem Nobelpreis-Interview angegeben, "[Maschinenbau] war zu dieser Zeit die einfachste Option und der einfachste Weg, um an die Princeton University zu kommen, und ich habe sie nie verlassen".

Arnold schloss 1979 mit einem Bachelor of Science in Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Princeton University ab , wo sie sich auf die Solarenergieforschung konzentrierte. Zusätzlich zu den für ihr Hauptfach erforderlichen Kursen belegte sie Kurse in Wirtschaftswissenschaften, Russisch und Italienisch und stellte sich vor, Diplomatin oder CEO zu werden, sogar über einen höheren Abschluss in internationalen Angelegenheiten nachzudenken. Nach ihrem zweiten Jahr nahm sie sich ein Jahr von Princeton frei, um nach Italien zu reisen und in einer Fabrik zu arbeiten, die Kernreaktorteile herstellte, und kehrte dann zurück, um ihr Studium abzuschließen. Zurück in Princeton begann sie ihr Studium am Center for Energy and Environmental Studies – einer Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren, die damals von Robert Socolow geleitet wurde und an der Entwicklung nachhaltiger Energiequellen arbeitete, ein Thema, das ein Schwerpunkt ihrer späteren Arbeit werden sollte.

Nach seinem Abschluss in Princeton 1979 arbeitete Arnold als Ingenieur in Südkorea und Brasilien sowie am Solar Energy Research Institute in Colorado . Am Solar Energy Research Institute (jetzt National Renewable Energy Laboratory) arbeitete sie an der Entwicklung von Solarenergieanlagen für abgelegene Orte und half beim Verfassen von Positionspapieren der Vereinten Nationen (UN) .

Anschließend schrieb sie sich an der University of California in Berkeley ein , wo sie ihren Ph.D. Abschluss in Chemieingenieurwesen im Jahr 1985 und interessierte sich intensiv für die Biochemie. Ihre Diplomarbeit, die im Labor von Harvey Warren Blanch durchgeführt wurde, untersuchte Techniken der Affinitätschromatographie . Arnold hatte vor seiner Promotion in Chemieingenieurwesen keinen Chemie-Hintergrund. Für das erste Jahr ihres Ph.D. Studienarbeit verlangte das Graduiertenkomitee der UC Berkeley, dass sie Chemiekurse im Grundstudium belegt.

Karriere

Nach ihrer Promotion absolvierte Arnold eine Postdoc-Forschung in biophysikalischer Chemie in Berkeley. 1986 trat sie als Visiting Associate am California Institute of Technology ein. 1986 wurde sie zur Assistenzprofessorin, 1992 zur außerordentlichen Professorin und 1996 zur ordentlichen Professorin befördert Engineering, Bioengineering und Biochemistry im Jahr 2017. Im Jahr 2013 wurde sie zur Direktorin des Donna and Benjamin M. Rosen Bioengineering Center von Caltech ernannt.

Arnold war von 1995 bis 2000 Mitglied des Science Board des Santa Fe Institute . Sie war Mitglied des Beirats des Joint BioEnergy Institute . Arnold ist Vorsitzender des Beirats der Packard Fellowships in Science and Engineering. Sie war Mitglied des Beirats des Präsidenten der King Abdullah University of Science and Technology ( KAUST ). Sie war Jurorin beim Queen Elizabeth Prize for Engineering und arbeitete mit dem Science & Entertainment Exchange der National Academy of Science zusammen , um Hollywood-Drehbuchautoren dabei zu helfen, wissenschaftliche Themen akkurat darzustellen.

Im Jahr 2000 wurde Arnold zum Mitglied der National Academy of Engineering für die Integration von Grundlagen der Molekularbiologie, Genetik und Biotechnik zum Nutzen der Biowissenschaften und der Industrie gewählt.

Sie ist Miterfinderin von über 40 US-Patenten. Sie ist Mitbegründerin Gevo, Inc ., Ein Unternehmen , Kraftstoffen und Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen im Jahr 2005. Im Jahr 2013 zu machen, sie und zwei ihrer ehemaligen Studenten, Peter Meinhold und Pedro Coelho, mitbegründet ein Unternehmen Provivi genannt Alternativen zu erforschen Pestizide für Ernteschutz. Sie war auf dem Corporate Board der Genomik Unternehmen Illumina Inc. seit 2016.

2019 wurde sie in den Vorstand von Alphabet Inc. berufen , womit Arnold die dritte weibliche Direktorin der Google-Muttergesellschaft ist.

Im Januar 2021 wurde sie zur externen Co-Vorsitzenden des Council of Advisors on Science and Technology (PCAST) von Präsident Joe Biden ernannt . Sie arbeitet mit Bidens Übergangsteam zusammen, um Wissenschaftler für Rollen in der Verwaltung zu identifizieren. Sie sagt, dass ihre Hauptaufgabe jetzt darin besteht, bei der Auswahl der zusätzlichen Mitglieder von PCAST ​​zu helfen und eine wissenschaftliche Agenda für die Gruppe festzulegen. Sie sagte: „Wir müssen die Bedeutung der Wissenschaft für die Politikgestaltung, für die Entscheidungsfindung in der gesamten Regierung wieder herstellen. Wir müssen das Vertrauen der amerikanischen Bevölkerung in die Wissenschaft wiederherstellen … Ich denke, dass PCAST ​​dabei eine nützliche Rolle spielen kann.“

Forschung

Arnold wird zugeschrieben, dass er Pionierarbeit bei der Nutzung der gerichteten Evolution geleistet hat , um Enzyme (biochemische Moleküle – oft Proteine ​​– die chemische Reaktionen katalysieren oder beschleunigen) mit verbesserten und/oder neuartigen Funktionen zu schaffen. Die Strategie der gerichteten Evolution umfasst iterative Runden der Mutagenese und des Screenings auf Proteine ​​mit verbesserten Funktionen und wurde verwendet, um nützliche biologische Systeme zu schaffen , einschließlich Enzymen , Stoffwechselwegen , genetischen Regelkreisen und Organismen. In der Natur kann die Evolution durch natürliche Selektion zu Proteinen (einschließlich Enzymen) führen, die für biologische Aufgaben gut geeignet sind, aber die natürliche Selektion kann nur auf bestehende Sequenzvariationen (Mutationen) einwirken und erfolgt typischerweise über lange Zeiträume. Arnold beschleunigt den Prozess, indem er Mutationen in die zugrunde liegenden Proteinsequenzen einführt; dann testet sie die Auswirkungen dieser Mutationen. Wenn eine Mutation die Funktion der Proteine ​​verbessert, kann sie den Prozess ständig wiederholen, um ihn weiter zu optimieren. Diese Strategie hat weitreichende Auswirkungen, da sie verwendet werden kann, um Proteine ​​für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwerfen. So hat sie beispielsweise mithilfe der gerichteten Evolution Enzyme entwickelt, mit denen erneuerbare Kraftstoffe und pharmazeutische Verbindungen mit geringerer Umweltbelastung hergestellt werden können.

Ein Vorteil der gerichteten Evolution besteht darin, dass die Mutationen nicht vollständig zufällig sein müssen; Stattdessen können sie zufällig genug sein, um unerforschtes Potenzial zu entdecken, aber nicht so zufällig, dass sie ineffizient sind. Die Zahl der möglichen Mutationskombinationen ist astronomisch, aber anstatt nur zufällig so viele wie möglich zu testen, integriert sie ihr biochemisches Wissen, um die Optionen einzugrenzen, und konzentriert sich auf die Einführung von Mutationen in Bereichen des Proteins, die wahrscheinlich die meisten haben positive Wirkung auf die Aktivität und Vermeidung von Bereichen, in denen Mutationen bestenfalls neutral und im schlimmsten Fall schädlich wären (z. B. Störung der richtigen Proteinfaltung).

Arnold wandte die gerichtete Evolution auf die Optimierung von Enzymen an (wenn auch nicht der erste, der dies tat, siehe zB Barry Hall). In ihrer 1993 veröffentlichten bahnbrechenden Arbeit verwendete sie die Methode, um eine Version von Subtilisin E zu entwickeln, die in dem organischen Lösungsmittel DMF aktiv war , einer höchst unnatürlichen Umgebung. Sie führte die Arbeit mit vier aufeinanderfolgenden Mutageneserunden des von Bakterien exprimierten Gens des Enzyms durch fehleranfällige PCR durch . Nach jeder Runde untersuchte sie die Enzyme auf ihre Fähigkeit, das Milchprotein Casein in Gegenwart von DMF zu hydrolysieren, indem sie die Bakterien auf Agarplatten mit Casein und DMF züchtete. Die Bakterien sezernierten das Enzym und wenn es funktionsfähig wäre, würde es das Casein hydrolysieren und einen sichtbaren Halo erzeugen. Sie wählte die Bakterien mit den größten Halos aus und isolierte ihre DNA für weitere Mutageneserunden. Mit dieser Methode entwarf sie ein Enzym, das in DMF eine 256-mal höhere Aktivität als das Original aufwies.

Sie hat ihre Methoden weiterentwickelt und unter verschiedenen Auswahlkriterien angewendet, um Enzyme für unterschiedliche Funktionen zu optimieren. Sie zeigte, dass, während natürlich entwickelte Enzyme dazu neigen, in einem engen Temperaturbereich gut zu funktionieren, Enzyme durch gerichtete Evolution hergestellt werden könnten, die sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen funktionieren könnten. Arnold hat nicht nur die bestehenden Funktionen natürlicher Enzyme verbessert, sondern auch Enzyme entwickelt, die Funktionen erfüllen, für die es zuvor kein spezifisches Enzym gab, beispielsweise bei der Entwicklung von Cytochrom P450 zur Durchführung von Cyclopropanierungen und Carben- und Nitren- Transferreaktionen.

Neben der Entwicklung einzelner Moleküle hat sie die gerichtete Evolution genutzt, um Enzyme in Biosynthesewegen zu co-evolutionieren, wie sie an der Produktion von Carotinoiden und L-Methionin in Escherichia coli beteiligt sind (das das Potenzial hat, als Ganzzellstoff verwendet zu werden). Biokatalysator). Sie hat diese Methoden auf die Biokraftstoffproduktion angewendet . Sie hat zum Beispiel Bakterien entwickelt, um den Biokraftstoff Isobutanol herzustellen ; es kann in E. coli- Bakterien produziert werden, aber der Produktionsweg erfordert den Cofaktor NADPH , während E. coli den Cofaktor NADH herstellt . Um dieses Problem zu umgehen, entwickelte sie die Enzyme, um NADH anstelle von NADPH zu verwenden, was die Produktion von Isobutanol ermöglicht.

Arnold hat auch die gerichtete Evolution genutzt, um hochspezifische und effiziente Enzyme zu entwickeln, die als umweltfreundliche Alternativen zu einigen industriellen chemischen Syntheseverfahren verwendet werden können. Sie und andere, die ihre Methoden anwenden, haben Enzyme entwickelt, die Synthesereaktionen schneller und mit weniger Nebenprodukten durchführen können und in einigen Fällen gefährliche Schwermetalle überflüssig machen .

Sie nutzt die strukturgesteuerte Proteinrekombination, um Teile verschiedener Proteine ​​zu Proteinchimären mit einzigartigen Funktionen zu kombinieren. Sie entwickelte Computermethoden wie SCHEMA , um vorherzusagen, wie die Teile kombiniert werden können, ohne ihre Elternstruktur zu zerstören, damit sich die Chimären richtig falten, und wendet dann gerichtete Evolution an, um die Chimären weiter zu mutieren, um ihre Funktionen zu optimieren.

Am Caltech leitet Arnold ein Labor, das die gerichtete Evolution und ihre Anwendungen in umweltfreundlicher chemischer Synthese und grüner/alternativer Energie untersucht, einschließlich der Entwicklung hochaktiver Enzyme (zellulolytische und biosynthetische Enzyme) und Mikroorganismen zur Umwandlung erneuerbarer Biomasse in Kraftstoffe und Chemikalien. Ein 2019 in Science veröffentlichtes Papier mit Inha Cho und Zhi-Jun Jia wurde am 2. Januar 2020 zurückgezogen, da sich die Ergebnisse als nicht reproduzierbar erwiesen.

Ab 2021 hat Arnold laut Google Scholar einen h-Index von 135 .

Persönliches Leben

Arnold lebt in La Cañada Flintridge, Kalifornien . Sie war mit James E. Bailey verheiratet, der 2001 an Krebs starb. Sie hatten einen Sohn namens James Bailey. Bei Arnold selbst wurde 2005 Brustkrebs diagnostiziert und sie wurde 18 Monate lang behandelt.

Arnold war seit 1994 in einer bürgerlichen Ehe mit dem Caltech-Astrophysiker Andrew E. Lange , und sie hatten zwei Söhne, William und Joseph. Lange beging 2010 Selbstmord und einer ihrer Söhne, William Lange-Arnold, starb 2016 bei einem Unfall.

Zu ihren Hobbys zählen Reisen, Tauchen, Skifahren, Dirtbike-Fahren und Wandern.

Ehren und Auszeichnungen

Arnolds Arbeit wurde durch viele Auszeichnungen gewürdigt, darunter der Nobelpreis für Chemie 2018 , der Draper Prize der National Academy of Engineering (NAE) 2011 (die erste Frau, die ihn erhielt) und eine 2011 National Medal of Technology and Innovation . Sie wurde 2011 in die American Academy of Arts and Sciences gewählt und 2014 in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Sie war die erste Frau, die in alle drei National Academies in den Vereinigten Staaten gewählt wurde – die National Academy of Engineering (2000 .). ), der National Academy of Medicine , ehemals Institute of Medicine (2004) und der National Academy of Sciences (2008).

Arnold ist Fellow der American Association for the Advancement of Science , der American Academy of Arts and Sciences , der American Academy of Microbiology , des American Institute for Medical and Biological Engineering und 2018 International Fellow der britischen Royal Academy of Engineering .

2016 gewann sie als erste Frau den Millennium Technology Prize , den sie für ihre wegweisende gerichtete Evolution gewann . 2017 wurde Arnold von der National Academy of Sciences der Raymond and Beverly Sackler Prize in Convergence Research verliehen , der außergewöhnliche Beiträge zur Konvergenzforschung anerkennt.

2018 erhielt sie den Nobelpreis für Chemie für ihre Arbeiten zur gerichteten Evolution und ist damit die fünfte Frau in ihrem 117-jährigen Bestehen und die erste Amerikanerin. Sie erhielt eine Hälfte des Preises, die andere Hälfte wurde George Smith und Gregory Winter "für das Phagen-Display von Peptiden und Antikörpern " gemeinsam verliehen . Sie ist die erste Absolventin von Princeton , die mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, und die erste Person, die ihren Bachelor-Abschluss von Princeton (männlich oder weiblich) erhalten hat, die einen Nobelpreis in einer der naturwissenschaftlichen Kategorien (Chemie, Physik und Physiologie oder) erhält Medizin). Im November 2018 wurde sie in die Liste der 100 Frauen der BBC aufgenommen. Am 24. Oktober 2019 ernannte Papst Franziskus sie zum Mitglied der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften .

Auftritte in populären Medien

Sie porträtierte sich selbst in der 18. Folge "The Laureate Accumulation" der 12. Staffel der TV-Serie The Big Bang Theory . Im September 2021, zum 10-jährigen Jubiläum von PME UChicago, behauptete sie scherzhaft, dass dieser Auftritt die größte Auszeichnung ihres Lebens sei.

Siehe auch

Verweise

Externe Links