Nascita |
25 luglio 1956 Pittsburgh |
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Nome di nascita | Frances Hamilton Arnold |
Nazionalità | americano |
Addestramento |
Taylor Allderdice High School ( en ) Princeton University (fino al1979) Università della California a Berkeley (fino al1985) |
Attività | Biochimico , inventore , professore universitario , ingegnere , ricercatore , insegnante |
Padre | William Howard Arnold ( a ) |
Coniuge | Jay Bailey ( in ) (fino a1994) |
Parentela | William Howard Arnold ( in ) (nonno) |
Lavorato per | California Institute of Technology |
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Dominio | Ingegneria Chimica |
Membro di |
Accademia americana delle arti e delle scienze Accademia nazionale di ingegneria degli Stati Uniti (2000) Accademia Nazionale di Medicina degli Stati Uniti (2004) Accademia americana delle scienze (2008) Società Reale (2020) |
Supervisore | Warren Harvey Blanch ( d ) |
Sito web | www.che.caltech.edu/faculty/arnold_f/index.html |
Premi |
Premio Nobel per la Chimica (2018) |
Frances Hamilton Arnold , nata il25 luglio 1956a Edgewood , è un ingegnere in biochimica . Il suo lavoro ha vinto numerosi premi, tra cui il Draper Prize nel 2011, la National Medal for Technology and Innovation nel 2013, e il Premio Nobel per la Chimica nel 2018.
Ha sviluppato metodi di evoluzione diretta per creare sistemi biologici utili, inclusi enzimi , vie metaboliche , nuovi circuiti per la regolazione dell'espressione genica e persino organismi. È professore di ingegneria chimica , bioingegneria e biochimica presso il California Institute of Technology , dove studia l'evoluzione diretta e le sue applicazioni nei campi della scienza , della medicina , della chimica e dell'energia .
Ha ricevuto una laurea in ingegneria meccanica e tecnologia di ingegneria e lo spazio per la Princeton University nel 1979 e un dottorato in ingegneria chimica presso l' Università della California a Berkeley . Ha svolto il suo lavoro post-dottorato in chimica e biofisica prima di trasferirsi all'università privata di Caltech (California Institute of Technology) nel 1986 .
Frances Arnold, nata a Edgewood , negli Stati Uniti, è la figlia di William Howard Arnold, che ha lavorato come fisico nucleare , e Josephine Inman Routheau. Con i suoi quattro fratelli, William Howard III, Edward, David e Thomas, amava competere.
È cresciuta nei sobborghi di Pittsburgh , in particolare a Edgewood, Shadyside e Squirrel Hill.
Si è diplomata alla Allderdice High School nel 1974 .
Ancora una studentessa delle superiori, ha fatto l' autostop a Washington per dimostrare e protestare contro la guerra del Vietnam . Viveva lì da sola con un lavoro come cameriera in un jazz club locale e come tassista .
Frances Arnold ha studiato Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la Princeton University , concludendo questo ciclo di studi con una laurea nel 1979 , prima di conseguire un dottorato di ricerca in Ingegneria Chimica presso l'Università della California, Berkeley nel 1985. . Il suo lavoro di tesi , svolto nel laboratorio di Harvey Blanch, si è concentrato sulle tecniche di cromatografia di affinità . Dopo la laurea, ha iniziato la sua vita di ricerca professionale con una ricerca post-dottorato presso l'UC Berkeley e il Caltech (" California Institute of Technology ").
Frances Arnold vive a La Cañada Flintridge ( California ). Era sposata con l'ingegnere biochimico James E. Bailey con il quale ha avuto un figlio, James, e che è morto di cancro nel 2001. Si è poi risposata con l'astrofisico Andrew E. Lange e hanno avuto due figli, William e Joseph. Il suo secondo marito si è suicidato nel 2010 e suo figlio William è morto in un incidente nel 2016.
Le è stato diagnosticato un cancro al seno nel 2005 ed è una delle sopravvissute al cancro.
Appare nell'episodio 18 della stagione 12 di The Big Bang Theory, dove interpreta il proprio ruolo.
Nel 1996 è stata nominata professoressa al Caltech, nel 2005 ha co-fondato la società di biocarburanti Gevo, Nel 2013 ha co-fondato la società Provivi, per il biocontrollo in agricoltura. Lei è stato eletto alla Accademia Americana delle Arti e delle Scienze nel 2011 . Frances Arnold ha il raro onore di essere eletta nelle tre accademie nazionali degli Stati Uniti: la National Academy of Sciences, la National Academy of Engineering e l'Institute of Medicine. È membro dell'American Association for the Advancement of Science, dell'American Academy of Arts and Sciences, dell'American Academy of Microbiology, dell'American Institute of Medical and Biological Engineering e International Fellow della Royal Academy of Engineering of the Regno Unito . Nel 2016 ha sintetizzato un enzima in grado di creare un legame carbonio-silicio
Membro del comitato consultivo del Joint BioEnergy Institute e delle Science and Engineering Fellowships finanziate dal Packard DOE , Frances Arnold fa anche parte del comitato consultivo del presidente della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). Attualmente è giudice del Queen Elizabeth Engineering Prize. Ha lavorato con lo Science & Entertainment Exchange dell'Accademia americana delle scienze per aiutare gli sceneggiatori di Hollywood a descrivere accuratamente argomenti scientifici.
Nel 2018 ha ricevuto il Premio Nobel per la chimica per il suo lavoro sull'evoluzione diretta degli enzimi, premio che condivide con il britannico Gregory Winter e l'americano Georges P. Smith , per il loro lavoro sull'evoluzione diretta dei peptidi e degli anticorpi via fagi '.
il 24 ottobre 2019è stata nominata membro della Pontificia Accademia delle Scienze da Papa Francesco .
Nel 1993, ha prodotto un enzima ( Subtilisina E) che era funzionale in un ambiente innaturale. Frances Arnold è stata tra le prime a utilizzare l' evoluzione diretta per creare enzimi (molecole biochimiche - principalmente proteine - che catalizzano o accelerano determinate reazioni chimiche) con funzioni migliorate o addirittura completamente nuove.
Questa strategia (evoluzione diretta) comporta la mutagenesi ripetuta e più o meno casuale di proteine (o cofattori ) per ottenere una "biblioteca" e quindi lo screening delle proteine prodotte per testare, selezionare e conservare quelle che sembrano avere funzioni migliorate. È stato usato per creare o potenziare enzimi, emi , vie metaboliche , circuiti regolatori genetici e persino organismi. In natura, l'evoluzione per selezione naturale porta in particolare a nuove proteine (compresi gli enzimi) o prodotte in un nuovo luogo o in un nuovo tempo, dove si rivelano adatte a svolgere i compiti biologici che vorremmo veder svolgere. ma questa selezione naturale può agire solo su proteine contenenti variazioni di sequenza esistenti (mutazioni) e di solito richiede molto tempo.
Frances Arnold ha scelto di accelerare il processo provocando mutazioni nelle sequenze sottostanti delle proteine, di cui poi testa le proprietà. Se una mutazione migliora la funzione di una proteina modificata, l'operatore può ripetere il processo per ottimizzarla ulteriormente. Questa strategia ha ampie implicazioni perché può essere utilizzata per progettare proteine per un'ampia varietà di applicazioni.
Scoprì così enzimi utili per produrre combustibili rinnovabili e composti farmaceutici meno dannosi per l'ambiente.
Rispetto alla transgenesi praticata dagli anni '80, un vantaggio dell'evoluzione diretta è che in alcuni casi le mutazioni possono essere lasciate al caso (del tutto casuali) per scoprire potenzialità inesplorate o essere in parte guidate a trovare mutazioni ritenute efficaci e interessanti. Il numero di possibili combinazioni di mutazioni è astronomico, ma Frances Arnold utilizza i progressi della biochimica per concentrarsi sull'introduzione di mutazioni in una o più regioni funzionali della proteina che potrebbero avere il maggior potenziale, evitando di farlo. essere nel migliore dei casi neutri e nel peggiore dannosi (come l'interruzione del corretto ripiegamento proteico , ad esempio riscontrato nei prioni patogeni ).
Frances Arnold è stata la prima chimica ad applicare l'evoluzione orientata per l'ottimizzazione degli enzimi; il suo lavoro fondamentale (pubblicato nel 1993) ha utilizzato questo metodo per sviluppare una versione della subtilisina E attiva in un ambiente altamente artificiale incluso in particolare in un solvente organico , la dimetilformammide (DMF). Ha svolto il suo lavoro utilizzando quattro cicli sequenziali di mutagenesi dei geni dell'enzima, espressi dai batteri, tramite PCR dirompente. Dopo ogni ciclo, ha esaminato la capacità degli enzimi di idrolizzare la caseina, una proteina del latte, in presenza di DMF, consentendo ai batteri di crescere in piastre di Petri contenenti agar a base di caseina e DMF. I batteri secernono l'enzima e, se funzionanti, idrolizzano la caseina e producono un alone visibile. Ha selezionato i batteri che avevano gli aloni più grandi e ha isolato il loro DNA per ulteriori cicli di mutagenesi. Ha trovato un enzima 256 volte più attivo nel DMF rispetto all'originale.
Frances Arnold ha poi perfezionato il suo metodo, applicando diversi criteri di selezione per “ottimizzare” enzimi per diverse funzioni. Ha dimostrato che mentre la maggior parte degli enzimi naturali funziona bene solo in un intervallo di temperatura ristretto, gli enzimi modificati per funzionare a temperature più calde e/o più fredde possono essere prodotti per evoluzione diretta. Ha anche progettato enzimi che svolgono funzioni sconosciute nell'ambiente naturale, ad esempio con il citocromo P450 che svolge reazioni di ciclopropanazione e trasferimento di carbene e nitrene . Ha così co-sviluppato enzimi nelle vie biosintetiche, compresi quelli coinvolti nella produzione di carotenoidi , o, per la biocatalisi , ha invertito l' enantioselettività dell'idantoinasi in modo che tutto l' Escherichia coli producesse aminoacidi del tipo L-metionina .
Frances Arnold ha applicato questi metodi alla produzione di biocarburanti: ha così creato batteri che producono isobutanolo ; potrebbe essere prodotto nei batteri E. coli , ma il percorso di produzione ha richiesto il cofattore NADPH, mentre E. coli produce un altro cofattore (NADH). Frances Arnold ha quindi sviluppato gli enzimi necessari utilizzando NADH invece di NADPH, consentendo così la produzione di isobutanolo. Ha anche prodotto enzimi altamente specifici ed efficienti che possono sostituire alcune sintesi chimiche in modo meno inquinante.
Lei e altri, usando gli stessi metodi, hanno creato enzimi che hanno eseguito sintesi chimiche più veloci, con meno sottoprodotti e talvolta senza la necessità di metalli pesanti pericolosi come catalizzatori.
Jeffrey Moore (un ex studente di Frances Arnold) e i suoi colleghi hanno usato l'evoluzione diretta per evolvere un enzima per produrre sitagliptin (un antidiuretico ). Frances Arnold ha anche formato chimere di proteine con funzioni uniche. Ha sviluppato metodi computazionali, incluso il metodo SCHEMA che prevede come le parti possono essere combinate senza disturbare la loro struttura madre (in modo che le proteine chimeriche si pieghino correttamente), quindi ha applicato loro i suoi metodi di evoluzione diretta per produrre successive mutazioni di queste chimere, al fine di ottimizzare la loro funzioni.
Frances Arnold dirige un laboratorio al Caltech che continua a studiare l'evoluzione diretta e le sue applicazioni nella sintesi chimica rispettosa dell'ambiente e al servizio delle energie verdi e alternative, con in particolare lo sviluppo di enzimi e microrganismi altamente attivi (enzimi cellulolitici e biosintetici) per convertire biomasse rinnovabili in combustibili chimici e/o reagenti.