Frances Arnold - Frances Arnold

Frances Arnold
Frances Arnold, copresidente da PCAST ​​(cortado) .jpg
Copresidente do Conselho de Consultores de Ciência e Tecnologia do Presidente
Escritório assumido
em 20 de janeiro de 2021
Servindo com Maria Zuber
Presidente Joe Biden
Precedido por Posição estabelecida
Detalhes pessoais
Nascer
Frances Hamilton Arnold

( 25/07/1956 )25 de julho de 1956 (65 anos)
Edgewood, Pensilvânia , EUA
Cônjuge (s)
(divorciaram)
Parceiro doméstico Andrew E. Lange (1994–2010)
Educação Princeton University ( BS )
University of California, Berkeley ( MS , PhD )
Prêmios Medalha Garvan-Olin (2005)
Prêmio FASEB de Excelência em Ciência (2007)
Prêmio Draper (2011)
Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação (2013)
Prêmio de Tecnologia do Milênio (2016)
Prêmio Sackler em Pesquisa de Convergência (2017)
Prêmio Nobel de Química (2018)
Carreira científica
Campos Engenharia Química
Bioengenharia
Bioquímica
Instituições Instituto de Tecnologia da Califórnia
Tese Projeto e aumento de escala de separações por afinidade  (1985)
Orientador de doutorado Harvey W. Blanch
Alunos de doutorado Christopher Voigt
Huimin Zhao

Frances Hamilton Arnold (nascida em 25 de julho de 1956) é engenheira química americana e ganhadora do Prêmio Nobel . Ela é a Professora Linus Pauling de Engenharia Química, Bioengenharia e Bioquímica no California Institute of Technology (Caltech). Em 2018, ela recebeu o Prêmio Nobel de Química por ser pioneira no uso da evolução direcionada para a engenharia de enzimas .

Desde janeiro de 2021, ela serve como um co-chair externa do presidente Joe Biden 's Conselho de Assessores de Ciência e Tecnologia (PCAST).

Infância e educação

Arnold é filha de Josephine Inman (nascida Routheau) e do físico nuclear William Howard Arnold , e neta do Tenente General William Howard Arnold . Ela cresceu no subúrbio de Pittsburgh Edgewood e nos bairros de Shadyside e Squirrel Hill em Pittsburgh , graduando-se na escola Taylor Allderdice High School em 1974. Como estudante do ensino médio, ela pegou carona até Washington, DC para protestar contra a Guerra do Vietnã e morava sozinha, trabalhando como garçonete em um clube de jazz local e motorista de táxi.

A mesma independência que levou Arnold a se mudar da casa de sua infância quando era adolescente também levou a um grande volume de faltas à escola e notas baixas. Apesar disso, ela obteve notas quase perfeitas em testes padronizados e estava determinada a frequentar a Universidade de Princeton, a alma mater de seu pai. Ela se candidatou como engenheira mecânica e foi aceita. A motivação de Arnold por trás do estudo de engenharia, conforme declarado em sua entrevista ao Prêmio Nobel, era que "[engenharia mecânica] era a opção mais fácil e a maneira mais fácil de entrar na Universidade de Princeton na época e eu nunca saí".

Arnold formou-se em 1979 com um BS grau em mecânica e engenharia aeroespacial da Universidade de Princeton , onde ela se concentrou em pesquisa de energia solar. Além dos cursos exigidos para sua especialização, ela fez aulas de economia, russo e italiano, e se imaginou como diplomata ou CEO, mesmo considerando a possibilidade de obter um diploma avançado em assuntos internacionais. Ela tirou um ano de licença de Princeton após seu segundo ano para viajar para a Itália e trabalhar em uma fábrica que fazia peças para reatores nucleares , depois voltou para completar seus estudos. De volta a Princeton, ela começou a estudar no Centro de Estudos Energéticos e Ambientais - um grupo de cientistas e engenheiros, na época liderado por Robert Socolow , que trabalhava para desenvolver fontes de energia sustentáveis, tema que se tornaria o foco de seu trabalho posterior.

Depois de se formar em Princeton em 1979, Arnold trabalhou como engenheiro na Coreia do Sul e no Brasil e no Instituto de Pesquisa de Energia Solar do Colorado . No Solar Energy Research Institute (agora Laboratório Nacional de Energia Renovável), ela trabalhou no projeto de instalações de energia solar para locais remotos e ajudou a escrever documentos de posição das Nações Unidas (ONU) .

Ela então se matriculou na Universidade da Califórnia, Berkeley , onde obteve o doutorado. graduado em engenharia química em 1985 e tornou-se profundamente interessado em bioquímica. Seu trabalho de tese, realizado no laboratório de Harvey Warren Blanch, investigou técnicas de cromatografia de afinidade . Arnold não tinha formação em química antes de fazer doutorado em engenharia química. Durante o primeiro ano de seu Ph.D. curso, o comitê de pós-graduação da UC Berkeley exigiu que ela fizesse cursos de graduação em química.

Carreira

Depois de obter seu Ph.D., Arnold concluiu a pesquisa de pós-doutorado em química biofísica em Berkeley. Em 1986, ela ingressou no Instituto de Tecnologia da Califórnia como associada visitante. Ela foi promovida a professora assistente em 1986, professora associada em 1992 e professora titular em 1996. Ela foi nomeada Professora Dick e Barbara Dickinson de Engenharia Química, Bioengenharia e Bioquímica em 2000 e, em seu cargo atual, Professora de Química Linus Pauling Engenharia, Bioengenharia e Bioquímica em 2017. Em 2013, foi nomeada diretora do Donna e Benjamin M. Rosen Bioengineering Center da Caltech.

Arnold serviu no Conselho Científico do Instituto Santa Fe de 1995 a 2000. Ela foi membro do Conselho Consultivo do Joint BioEnergy Institute . Arnold preside o Painel Consultivo do Packard Fellowships in Science and Engineering. Ela serviu no Conselho Consultivo do Presidente da Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia ( KAUST ). Ela atuou como jurada do Prêmio Rainha Elizabeth de Engenharia e trabalhou com o Intercâmbio de Ciência e Entretenimento da Academia Nacional de Ciências para ajudar os roteiristas de Hollywood a retratar tópicos científicos de maneira precisa.

Em 2000, Arnold foi eleito membro da National Academy of Engineering pela integração dos fundamentos em biologia molecular, genética e bioengenharia para o benefício das ciências biológicas e da indústria.

Ela é co-inventora de mais de 40 patentes nos Estados Unidos. Ela foi cofundadora da Gevo, Inc. , Uma empresa que fabrica combustíveis e produtos químicos a partir de recursos renováveis ​​em 2005. Em 2013, ela e dois de seus ex-alunos, Peter Meinhold e Pedro Coelho, fundaram uma empresa chamada Provivi para pesquisar alternativas aos pesticidas para Proteção de Cultivos. Ela tem sido no quadro societário da genômica empresa Illumina Inc. desde 2016.

Em 2019, ela foi nomeada para o conselho da Alphabet Inc. , tornando Arnold a terceira diretora feminina da empresa-mãe do Google.

Em janeiro de 2021, ela foi nomeada copresidente externa do Conselho de Consultores de Ciência e Tecnologia do Presidente Joe Biden (PCAST). Ela está trabalhando com a equipe de transição de Biden para ajudar a identificar cientistas para funções na administração. Ela diz que sua principal tarefa agora é ajudar a escolher os membros adicionais do PCAST ​​e começar a trabalhar na definição de uma agenda científica para o grupo. Ela declarou: “Temos que restabelecer a importância da ciência na formulação de políticas, na tomada de decisões em todo o governo. Precisamos restabelecer a confiança do povo americano na ciência ... Acho que o PCAST ​​pode desempenhar um papel benéfico nisso. ”

Pesquisar

Arnold é creditado como pioneiro no uso da evolução direcionada para criar enzimas (moléculas bioquímicas - freqüentemente proteínas - que catalisam , ou aceleram, reações químicas) com funções aprimoradas e / ou novas. A estratégia de evolução direcionada envolve rodadas iterativas de mutagênese e triagem de proteínas com funções melhoradas e tem sido usada para criar sistemas biológicos úteis , incluindo enzimas , vias metabólicas , circuitos reguladores genéticos e organismos. Na natureza, a evolução por seleção natural pode levar a proteínas (incluindo enzimas) bem adequadas para realizar tarefas biológicas, mas a seleção natural só pode agir em variações de sequência existentes (mutações) e normalmente ocorre por longos períodos de tempo. Arnold acelera o processo introduzindo mutações nas sequências subjacentes de proteínas; ela então testa os efeitos dessas mutações. Se uma mutação melhora a função das proteínas, ela pode continuar iterando o processo para otimizá-lo ainda mais. Essa estratégia tem amplas implicações porque pode ser usada para projetar proteínas para uma ampla variedade de aplicações. Por exemplo, ela usou a evolução direcionada para projetar enzimas que podem ser usadas para produzir combustíveis renováveis e compostos farmacêuticos com menos danos ao meio ambiente.

Uma vantagem da evolução dirigida é que as mutações não precisam ser completamente aleatórias; em vez disso, eles podem ser aleatórios o suficiente para descobrir um potencial inexplorado, mas não tão aleatórios a ponto de serem ineficientes. O número de combinações de mutação possíveis é astronômico, mas em vez de apenas tentar testar aleatoriamente o maior número possível, ela integra seu conhecimento de bioquímica para restringir as opções, concentrando-se na introdução de mutações em áreas da proteína que provavelmente terão mais efeito positivo sobre a atividade e evitar áreas nas quais as mutações provavelmente seriam, na melhor das hipóteses, neutras e, na pior, prejudiciais (como interromper o dobramento adequado de proteínas).

Arnold aplicou a evolução direcionada à otimização de enzimas (embora não seja a primeira pessoa a fazê-lo, veja, por exemplo, Barry Hall). Em seu trabalho seminal, publicado em 1993, ela usou o método para criar uma versão da subtilisina E que era ativa no solvente orgânico DMF , um ambiente altamente antinatural. Ela realizou o trabalho por meio de quatro rodadas sequenciais de mutagênese do gene da enzima , expressa por bactérias, por meio de PCR propenso a erros . Após cada rodada, ela examinava as enzimas quanto à capacidade de hidrolisar a caseína da proteína do leite na presença de DMF, cultivando a bactéria em placas de ágar contendo caseína e DMF. A bactéria secretou a enzima e, se fosse funcional, hidrolisaria a caseína e produziria um halo visível. Ela selecionou a bactéria que tinha os maiores halos e isolou seu DNA para novas rodadas de mutagênese. Usando esse método, ela projetou uma enzima que tinha 256 vezes mais atividade em DMF do que a original.

Ela desenvolveu ainda mais seus métodos e os aplicou sob diferentes critérios de seleção, a fim de otimizar enzimas para diferentes funções. Ela mostrou que, enquanto as enzimas naturalmente evoluídas tendem a funcionar bem em uma faixa estreita de temperatura, as enzimas podem ser produzidas usando a evolução direcionada que pode funcionar tanto em altas quanto em baixas temperaturas. Além de melhorar as funções existentes das enzimas naturais, Arnold desenvolveu enzimas que realizam funções para as quais não existia nenhuma enzima específica anterior, como quando ela desenvolveu o citocromo P450 para realizar a ciclopropanação e as reações de transferência de carbeno e nitreno .

Além de desenvolver moléculas individuais, ela usou a evolução direcionada para coevoluir enzimas em vias biossintéticas, como aquelas envolvidas na produção de carotenóides e L-metionina em Escherichia coli (que tem o potencial de ser usada como uma célula inteira biocatalisador). Ela aplicou esses métodos à produção de biocombustíveis . Por exemplo, ela desenvolveu bactérias para produzir o biocombustível isobutanol ; pode ser produzido na bactéria E. coli , mas a via de produção requer o cofator NADPH , enquanto a E. coli fabrica o cofator NADH . Para contornar esse problema, ela desenvolveu as enzimas do caminho para usar NADH em vez de NADPH, permitindo a produção de isobutanol.

Arnold também usou a evolução direcionada para projetar enzimas altamente específicas e eficientes que podem ser usadas como alternativas ecologicamente corretas para alguns procedimentos de síntese química industrial. Ela, e outras pessoas que usam seus métodos, desenvolveram enzimas que podem realizar reações de síntese mais rapidamente, com menos subprodutos e, em alguns casos, eliminando a necessidade de metais pesados perigosos .

Ela usa recombinação de proteínas guiada por estrutura para combinar partes de proteínas diferentes para formar quimeras de proteínas com funções exclusivas. Ela desenvolveu métodos computacionais, como o SCHEMA , para prever como as partes podem ser combinadas sem interromper sua estrutura parental, de modo que as quimeras se dobrem de maneira adequada, e então aplica a evolução direcionada para transformar ainda mais as quimeras para otimizar suas funções.

Na Caltech, Arnold dirige um laboratório que continua a estudar a evolução direcionada e suas aplicações em síntese química ecológica e energia verde / alternativa, incluindo o desenvolvimento de enzimas altamente ativas (enzimas celulolíticas e biossintéticas) e microorganismos para converter biomassa renovável em combustíveis e produtos químicos. Um artigo publicado na Science em 2019, com Inha Cho e Zhi-Jun Jia, foi retirado em 2 de janeiro de 2020, pois os resultados foram considerados não reproduzíveis.

Em 2021, Arnold tinha um índice h de 135 de acordo com o Google Scholar .

Vida pessoal

Arnold mora em La Cañada Flintridge, Califórnia . Ela era casada com James E. Bailey, que morreu de câncer em 2001. Eles tiveram um filho chamado James Bailey. Arnold foi diagnosticado com câncer de mama em 2005 e foi submetido a tratamento por 18 meses.

Arnold estava em união estável com o astrofísico Andrew E. Lange do Caltech , começando em 1994, e eles tiveram dois filhos, William e Joseph. Lange cometeu suicídio em 2010 e um de seus filhos, William Lange-Arnold, morreu em um acidente em 2016.

Seus hobbies incluem viajar, mergulhar, esquiar, andar de bicicleta na terra e fazer caminhadas.

Honras e prêmios

O trabalho de Arnold foi reconhecido por muitos prêmios, incluindo o Prêmio Nobel de Química de 2018 , o Prêmio Draper da Academia Nacional de Engenharia (NAE) 2011 (a primeira mulher a recebê-lo) e uma Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação de 2011 . Ela foi eleita para a Academia Americana de Artes e Ciências em 2011 e introduzida no Hall da Fama dos Inventores Nacionais em 2014. Ela foi a primeira mulher a ser eleita para todas as três Academias Nacionais nos Estados Unidos - a Academia Nacional de Engenharia (2000 ), a National Academy of Medicine , anteriormente chamada de Institute of Medicine (2004), e a National Academy of Sciences (2008).

Arnold é membro da Associação Americana para o Avanço da Ciência , da Academia Americana de Artes e Ciências , da Academia Americana de Microbiologia , do Instituto Americano de Engenharia Médica e Biológica e membro internacional da Royal Academy of Engineering do Reino Unido em 2018.

Em 2016, ela se tornou a primeira mulher a ganhar o Prêmio de Tecnologia do Milênio , que ganhou por ser pioneira na evolução dirigida . Em 2017, Arnold recebeu o Prêmio Raymond e Beverly Sackler em Pesquisa de Convergência da National Academy of Sciences , que reconhece contribuições extraordinárias para a pesquisa de convergência.

Em 2018 recebeu o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho em evolução dirigida, tornando-se a quinta mulher a receber o prêmio em seus 117 anos de existência, e a primeira mulher americana. Ela recebeu metade das ações do prêmio, com a outra metade concedida em conjunto a George Smith e Gregory Winter "pela exibição de peptídeos e anticorpos em fagos ". Ela é a primeira mulher graduada em Princeton a receber o Prêmio Nobel e a primeira pessoa a se formar em Princeton (homem ou mulher) a receber o Prêmio Nobel em uma das categorias de ciências naturais (química, física e fisiologia ou Medicina). Em novembro de 2018, ela foi listada como uma das 100 mulheres da BBC. Em 24 de outubro de 2019, o Papa Francisco a nomeou membro da Pontifícia Academia das Ciências .

Aparições na mídia popular

Ela se retratou no 18º episódio "The Laureate Accumulation" da 12ª temporada da série de TV The Big Bang Theory . Em setembro de 2021, no 10º aniversário da PME UChicago, ela brincou dizendo que essa aparição foi o maior elogio de sua vida.

Veja também

Referências

links externos