“作为工程师，我们希望创造的东西不一定存在于地球上，或者可能从未存在过，但可以解决实际问题，”Frances H. Arnold于 10 月在 2021 年 Hoyt C. Hottel 化学工程讲座上说. 1.
加州理工学院化学工程、生物工程和生物化学教授阿诺德利用进化过程来优化和创造酶，开创了一个工程领域，在替代能源、医学和各种行业中都有应用。她的研究为她赢得了 2018 年诺贝尔化学奖，以及美国国家工程院的查尔斯·斯塔克·德雷珀奖(2011 年)、美国国家技术与创新奖章(2011 年)和千年技术奖(2016 年) .
阿诺德一开始就指出，她的 Hottel 演讲是她 18 个月以来第一次与现场观众交谈——值得庆祝。在“将新化学带入生活”的演讲中，阿诺德讲述了她不懈追求通过更好的酶来应对紧迫的全球挑战的故事——蛋白质在生物学和大量制造产品和过程中催化化学反应。她的叙述描述了她数十年的努力，用她的话来说，用 DNA“合成”，利用大自然的工具来产生“比大自然提供的效果更好的酶”。
本次讲座由化学工程系主办，系主任、研究所教授Paula T. Hammond介绍。
难以理解的可能性
阿诺德是 1980 年代后期科学家的先锋，渴望利用遗传学的最新创新。研究人员已经弄清楚了 DNA 如何编码蛋白质，以及如何编辑 DNA。但在高通量计算和用于编目蛋白质的海量数据库之前的时代，没有实验室可以操纵基因序列以在现实的时间尺度上选择所需的特性。“一个典型的小蛋白质长 300 个氨基酸，有 20 个不同的氨基酸——可能序列的空间比你能理解的任何东西都要大，”阿诺德说。
阿诺德说，当时科学家面临的挑战让她想起了豪尔赫·路易斯·博尔赫斯 1941 年的短篇小说“巴别图书馆”。在这个庞大的图书收藏中，顺序和内容是完全随机的，“图书馆员对找到一本书有一个有意义的句子感到绝望，更不用说文学作品了，”她说。“所以我在这里，加州理工学院的助理教授，在这个包含所有可能蛋白质的图书馆，我必须找到‘白鲸记’。”
为了摆脱这个泥潭，阿诺德从英国生物学家约翰梅纳德史密斯那里获得了灵感，他阐述了自然选择在分子中的作用。DNA 序列中经常出现的突变可能导致蛋白质失败和该系的末端，或者导致更合适的蛋白质变体存活下来并可以产生后代。“这对我来说是一个强有力的想法，”阿诺德说。“如果我是分子的培育者，我会决定谁适合继续下一代。”这是定向酶进化背后的火花——由阿诺德开发的用于设计更好催化剂的过程。
选择性育种酶
为了实现她的愿景，阿诺德在她的实验室中按照严格的方法创建了一个工厂。她对感兴趣的酶进行了采样，并确定了可能导致功能增强的 DNA 序列。然后她在这些序列中产生了突变，并使用宿主细菌创造了她将评估其特性的酶。阿诺德一次又一次地重复这个过程，直到她找到一种具有她所寻求特性的酶。
她最初几年追求定向酶进化的结果是一种新型枯草杆菌蛋白酶，一种可以在泥土中找到的酶。(“40 亿年的自然选择为我们提供了可以从鞋底刮下的蛋白质，”阿诺德指出。)经过改造的枯草杆菌蛋白酶可以在苛刻的溶剂中发挥作用，这一特性使其在化学应用中非常有用。这个版本还满足了阿诺德研究的一个总体目标：制造基于生物的酶来代替化学家合成的酶，这些酶通常涉及破坏环境的材料。
“它很简单，很好的工程，一个算法过程，导致了洗衣粉酶等产品，给我带来了我一生中最大的荣誉，并在 2017 年出现在《生活大爆炸》片场。”
模仿自然
定向酶进化激发了 Arnold 实验室以及世界各地实验室对优化和重新利用的酶的大量活性。生物催化正在成为一个变革性行业，随着基于生物的酶的扩散，以诱导在含有卤素、氟或氯等元素的分子中形成化学键。2016 年，阿诺德的实验室设计了一种酶，该酶通常会催化生物体内重要的生物反应，从而形成碳硅键。这是第一次。“我们可以对细菌进行编程，使其与一种突变体产生这些键，该突变体比人类最好的化学家做得好 50 倍……而且不会破坏环境，”阿诺德说。
围绕此类化学键构建的分子在制药、农业、半导体和可再生能源行业中需求量很大。为了满足需求，传统的合成化学依赖于危险材料、苛刻且通常成本高昂的制造条件。阿诺德相信她的方法提供了一种更环保、更便宜的替代方案。
她说，通过模仿自然“以及产生所有生命的强大过程”，“我们可以利用丰富的可再生资源来制造我们想要的一切。”阿诺德对观众中的学生表示欢迎：“和他们一起工作真是太棒了;带着绝妙的想法进来!”最后，她说，“如果我们能学会如何使用这个过程，我们就能适应、进化和创新，与我们美丽的星球同步。”
Hoyt C. Hottel 于 1928 年至 1968 年担任麻省理工学院教员。 Hoyt C. Hottel Lectureship 成立于 1985 年，以表彰他对化学工程系及其学生的贡献，以及对燃料研究实验室的建立和指导.讲座旨在吸引杰出的学者到麻省理工学院，以激励未来的学生。在 2020 年 Covid-19 大流行期间暂停后，该讲座于今年恢复。
