Фрэнсис Арнольд

Фрэнсис Арнольд — американский учёный-химик и инженер, лауреат Нобелевской премии по химии 2018 года за разработку метода направленной эволюции ферментов. Является профессором химической инженерии, биоинженерии и биохимии в Калифорнийском технологическом институте (Калтех). Арнольд стала пятой женщиной в истории, удостоенной Нобелевской премии по химии, и первой, получившей её в XXI веке.

Биография

Ранние годы и образование

Фрэнсис Гамильтон Арнольд родилась 25 июля 1956 года в Питтсбурге, штат Пенсильвания (США). Её отец, Уильям Говард Арнольд, был физиком-ядерщиком, работавшим в области атомной энергетики; мать, Джозефин Раутман, занималась домохозяйством. В детстве Арнольд увлекалась наукой и техникой, в старшей школе самостоятельно изучала химию и физику.

В 1974 году поступила в Принстонский университет, где в 1979 году получила степень бакалавра наук в области машиностроения и аэрокосмической инженерии. В студенческие годы она также интересовалась экономикой и международными отношениями, но в итоге сосредоточилась на инженерных дисциплинах. После окончания университета работала в компании «Solar Energy Research Institute» (ныне Национальная лаборатория возобновляемой энергии), где занималась проектированием солнечных батарей.

В 1985 году Арнольд поступила в аспирантуру Калифорнийского университета в Беркли, где под руководством профессора Харви Бланшара начала исследования в области биохимии и ферментативного катализа. В 1986 году она получила степень доктора философии (PhD) по химической инженерии.

Научная карьера

После защиты диссертации Арнольд работала постдокторантом в Калифорнийском технологическом институте (Калтех), а в 1987 году была принята на должность доцента в Калтех. В 1992 году она стала адъюнкт-профессором, в 1996 году — полным профессором. С 2000 года Арнольд занимает должность профессора химической инженерии, биоинженерии и биохимии имени Линды и Тима Мелло.

В 2018 году Арнольд была удостоена Нобелевской премии по химии совместно с Джорджем Смитом и Грегом Уинтером. Она получила половину премии «за направленную эволюцию ферментов», в то время как Смит и Уинтер разделили вторую половину за разработку фагового дисплея.

Научные достижения

Направленная эволюция ферментов

Основной вклад Арнольд в науку заключается в создании и развитии метода направленной эволюции ферментов. Этот подход позволяет улучшать свойства природных ферментов или создавать новые, не встречающиеся в природе, путём многократных циклов мутагенеза и отбора.

Процесс направленной эволюции включает несколько этапов:

1. Мутагенез — внесение случайных мутаций в ген, кодирующий целевой фермент.
2. Экспрессия — получение библиотеки вариантов фермента в клетках-хозяевах (например, в бактериях).
3. Отбор — выявление вариантов с улучшенными свойствами (например, повышенной термостабильностью, активностью в неводных средах или способностью катализировать новые реакции).
4. Повторение цикла — отобранные варианты используются в качестве исходных для следующего раунда мутагенеза.

Арнольд впервые продемонстрировала эффективность этого метода в 1993 году, когда с помощью направленной эволюции ей удалось получить вариант фермента субтилизина, активный в органическом растворителе диметилформамиде. В последующие годы она применила метод к широкому кругу ферментов, включая липазы, цитохромы P450, кетолредуктазы и другие.

Применение направленной эволюции

Разработанные Арнольд методы нашли практическое применение в различных отраслях:

• Промышленная биотехнология — создание ферментов для синтеза фармацевтических препаратов, биотоплива и химических веществ.
• Производство моющих средств — улучшение стабильности и активности ферментов в условиях высоких температур и щелочной среды.
• Биоремедиация — разработка ферментов, способных разлагать загрязнители окружающей среды, такие как полициклические ароматические углеводороды.
• Медицина — создание ферментов для диагностики и терапии, включая ферменты, расщепляющие биоплёнки бактерий.

Другие научные работы

Помимо направленной эволюции, Арнольд внесла вклад в изучение механизмов ферментативного катализа, разработку методов белковой инженерии и создание биосенсоров. Она также занималась исследованием эволюции белков в природе и её моделированием в лабораторных условиях.

Награды и признание

Фрэнсис Арнольд является обладателем многочисленных научных наград, включая:

• Нобелевская премия по химии (2018) — за направленную эволюцию ферментов.
• Премия Чарльза Старка Дрейпера (2011) — за вклад в инженерные науки.
• Национальная медаль науки США (2013) — высшая научная награда США.
• Премия тысячелетия в области технологий (2016) — за разработку методов направленной эволюции.

Она является членом Национальной академии наук США, Национальной инженерной академии США, Американской академии искусств и наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.

Личная жизнь и общественная деятельность

Фрэнсис Арнольд была замужем за физиком Джеймсом Бейли, с которым развелась в 1990-х годах. У неё трое сыновей. В 2010 году у Арнольд был диагностирован рак молочной железы, который она успешно преодолела.

Арнольд активно выступает за развитие науки и образования, поддерживает программы по привлечению женщин в научно-технические области. Она также является сторонницей использования биотехнологий для решения экологических проблем.

Критика и дискуссии

Метод направленной эволюции, разработанный Арнольд, подвергался критике со стороны некоторых учёных, которые утверждали, что он не является принципиально новым, а лишь модификацией классических методов селекции микроорганизмов. Однако большинство исследователей признают его значительным прорывом, позволившим целенаправленно создавать ферменты с заданными свойствами, что ранее было невозможно.

В 2019 году Арнольд выступила с критикой движения за отказ от использования генетически модифицированных организмов (ГМО), заявив, что это ограничивает развитие биотехнологий и может нанести вред экологии и сельскому хозяйству.

Интересные факты

• Фрэнсис Арнольд — первая американка, получившая Нобелевскую премию по химии.
• В 2018 году она стала третьей женщиной в истории, удостоенной Нобелевской премии по химии, после Марии Кюри (1911) и Ирэн Жолио-Кюри (1935).
• Арнольд является автором более 200 научных статей и имеет более 40 патентов.
• В 2019 году журнал Time включил её в список 100 самых влиятельных людей мира.