与 Frances Arnold 的讨论

季度审查N°7-2023 在诺贝尔奖获得者的脑海中 内心的一个头脑 诺贝尔奖获得者 28凯捷研究Institute气候技术：可持续发展的星球 在诺贝尔奖获得者的脑海中 Frances博士 阿诺 2018年诺贝尔化学奖获 得者定向进化加州理工学院 气候技术：可持续发展的星球凯捷研究Institute29 在诺贝尔奖获得者的脑海中 GIVING 手臂上的一枪进化 FrancesArnold博士FrancesArnold博士是加利福尼亚研究所化学工程，生 物工程和生物化学的LinusPauling教授 技术（加州理工学院）。Dr.阿诺德因开创性的定向酶进化而获得诺贝尔化学奖（2018年），随后创造了用于替代能源，化学品和医学的酶。她是总统科技顾问委员会（PCAST）的联合主席。她已当选为美国三个国家科学，医学和工程学院的成员，并且还是董事会的董事。 Alphabet和Illumina等著名公司。凯捷研究所与阿诺德博士交谈，了解如何定向进化， 再加上自然界中的韧性，可以帮助创造一个可持续发展的世界。 30凯捷研究Institute气候技术：可持续发展的星球 是什么让你对科学感兴趣？ 我年轻的时候有各种各样的工作，从出租车司机到鸡尾酒服务员；但这些都是要付房租的。数学和科学从小就对我有意义。我崇拜我的父亲，一个核物理学家。 我获得了机械和航空航天工程学士学位，并在核工业和太阳能领域工作了一段时间，但我的真爱变成了我甚至不知道的事情，直到我25岁去研究生院：工程生物世界。 什么是直接进化？ 您因在酶的定向进化方面的开创性工作而获得了诺贝尔奖。您能帮助 我们了解它是什么以及它如何帮助社会吗？ 酶是生物世界所有奇妙化学的催化剂。我们希望将它们用于人类应用，但它们并不理想。因此，在1980年代，我开始设计用于人类应用的酶的氨基酸序列。 当时，没有人知道需要哪个序列来编码 所需的功能-酶是复杂的。然而，进化可以告诉我们如何更有效地编码酶。突变和自然选择的简单过程 我开发了一些方法来实践酶的“人工选择进化”。 化学家可以利用生物世界的丰富多样性。使用分子生物学和高通量筛选领域新开发的工具，我开发了 对酶实行“人工选择进化”。 换句话说，这是一个简单的优化策略，用于在低水平进行随机突变，并筛选以找到能够 对我们最有利。通过各种迭代，我们找到了性能最好的步骤。大自然正在解决我们扔给她的各种问题-如何降解塑料瓶，如何降解农药，除草剂和抗生素。她创造新的酶，以应对这些问题的所有时间，实时。通过定向进化，我们可以做同样的事情-创造新的酶来应对新的问题。 简单的突变和 自然选择已经被赋予了上升 化学家可以利用生物世界的丰富多样性 绿色星球的酶 您的大部分研究都集中在可持续性上。这方面的研究最让您兴奋的是什么？ 现在最让我兴奋的是扩大生物世界的化学，与人类化学家竞争。建立和打破债券。所有 我的项目是关于可持续性或生物修复-以更清洁的方式制造事物或再次分解它们。我喜欢与酶一起工作。大自然已经开发了大量的酶，它们具有令人难以置信的化学作用 ，但是还有很多尚未被探索。 例如，我们可以通过让酶进行化学来拥有更好的工艺，从而大大降低制造成本 用一种或两种酶代替10个化学步骤。我感到自豪的一个特别的例子是默克[一家跨国科技公司]如何利用定向进化开发出一种酶来制造用于治疗糖尿病的药物Javia。最初的未精炼过程使用有毒金属，并产生大量废物。默克公司设法将废物减少到初始水平的百分之一左右，并从其过程中去除有毒金属催化剂，只需使用酶来合成药物。 我也很高兴能减少开发这些酶及其使用过程所需的成本和时间。我正在努力将机器学习[ML]和人工智能[AI]纳入这种进化优化中。它有望使我们能够比过去更快地开发生物解决方案。 “默克公司已设法将浪费减少到初始水平的百分之一左右 并从其过程中去除有毒金属催化剂，只需使用酶来合成药物。 “大自然所做的一切都是有效率的。 生物工程如何帮助地球？ 大自然所做的一切都是有效的。正是这种高度进化的系统制造和打破了化学键，创造了具有宏伟功能的化学物质和材料-但这不会永远存在。我认为生物化学具有非常高的选择性和功率效率，可以拓宽我们对制造和回收的思考。我们不仅可以帮助将日常生活中使用的所有东西分解为可回收元素，还可以帮助完全创造新产品，这是使用传统化学无法实现的。 生物化学可以对常规化学的任何应用产生有益的影响，我们应该利用它来寻找效率。今天的生命是40亿年进化的产物，而不是实验室中的工程师。大自然有很多东西可以教给我们。 您在可持续化学和可再生能源领域共同创立了三家公司，您能简单描述一下吗？ 我们于2004年成立了Gevo[GreenEvolution]，以制造可再生燃料 资源。这个概念是在酵母中设计酶以制造异丁醇 ，这是喷气燃料的前体，而不是乙醇。如今，Gevo是可再生航空燃料开发的领导者之一。 第二家公司Provivi成立于2014年，旨在替代有毒农药。我们开发了制造无毒信息素的工艺，这些化学物质用作信号机制，在田间喷洒时会混淆昆虫的交配本能。我们的重点是为更安全，负担得起和可持续的作物保护创造新的基础。 第三家公司AralezBio最近于2019年成立，它使用酶制造医药中间体。1他们可以制造数百种新的氨基酸和其他化学构件，同时减少浪费，能源消耗和成本。 今天的生活是40万年进化的产物，而不是工程师的产物 在实验室里。大自然有很多东西要教我们。 1广泛用于散装药物制造和研究的化合物。 使用AI创建新蛋白质 新技术如何帮助您的研究更快地将酶推向市场？ 进化是一个过程。它正在转动突变和人工选择的曲柄。我们可以通过使用AI和ML自动化和授权来利用进化的力量。我已经在这方面发表了10年了。但更令人兴奋的是，这些生成AI功能中的一些被用于从头开始发明蛋白质。酶更复杂，但我预测将来也有可能发明它们。这是实验能力的融合，了解真正构成成功蛋白质的特征，然后利用通过生成AI提供的新方法。我预测，在接下来的几年里，人工智能将会发展。 成为一股强大的力量——能够重新记录生活的力量。 我预测，在接下来的几年里 ，人工智能将成为一种强大的力量——一种能够重新记录生活的力量。 生成AI如何帮助创造新的蛋白质？ 我是GenerateBiomedicines的董事会成员，这是一家生物技术初创公司，使用AI生成可用于治疗疾病的治疗性蛋白质。机器学习算法可以为自然界中从未见过的蛋白质生成新序列。这些算法分析数百个 数以百万计的已知蛋白质，寻找连接氨基酸序列，结构和功能的统计模式。使用这些学习的统计模式，该公司产生定制的蛋白质疗法-从短肽到复杂的抗体，酶，基因疗法，以及尚未描述的蛋白质组合物。 我对年轻女性的建议：无所畏惧 你对想要进入科学领域的年轻女性有什么建议？ 尝试不同的事情。在我找到自己喜欢做的事情之前，我尝试了许多科学领域。如果你要改变世界，你必须无所畏惧。不要因为你说要做某事就觉得你必须坚持下去。如果你不喜欢它，那就做点别的。 科学与人类交流的重要性 在多大程度上，找到通往可持续世界的道路依赖于科学/新技术的创新，而不是行为变化？ 我们在大流行期间学到的是，你可以拥有你想要的所有科学技术，但是如果人们不接种疫苗， 它根本没有任何好处。我们可以提供科学的解决方案，无论好坏，但是如果人们不想要它们并且不接受必要的行为改变，那就不会发生。因此，科学与人之间的这种联系至关重要。 如果你有一根魔杖，在我们向可持续发展世界的过渡中，你现在会改变什么？ 我希望看到对生物多样性的尊重。我希望看到对我们依赖的自然世界的尊重，但我们对待得如此糟糕。我希望看到自然世界被视为我们生存所依赖的宝贵资产。 我很乐意尊重生物多样性 在诺贝尔奖获得者的脑海中 FrancesArnold医生, 莱纳斯·鲍林化学工程，生物工程和生物化学教授加州理工学院 “我们可以提供科学的解决方案，无论好坏，但如果人们不想要它们并且不接受必要的行为改变，那就不会发生。” 气候技术：可持续发展的星球凯捷研究Institute39