Foto: Thorkild Christensen

Nobelprismodtager: Evolution er en fantastisk algoritme

tirsdag 03 dec 19
|
af Morten Andersen

DTU Ørsted-forelæsninger

Flere gange om året inviterer DTU nogle af verdens førende forskere til at forelæse om deres fagområde, forskningsresultater og perspektiverne i deres forskningsområde på DTU i Kgs. Lyngby. Forskernes fagområder har alle snitflader til forskningen på DTU.

Forelæsningerne er åbne for alle.

Se eller gense videoer med tidligere forelæsere, og få information om kommende DTU Ørsted-forelæsninger.

kortlink.dk/rn56

BLÅ BOG

Frances H. Arnold er Linus Pauling Professor of Chemical Engineering, Bioengineering and Biochemistry, California Institute of Technology (Caltech), Pasadena, USA.

Hun afsluttede sin uddannelse til civilingeniør i mekanik og aerospaceteknologi ved Princeton University i 1979. Specialet var solenergi.

De første år af sin karriere tilbragte Frances Arnold som ingeniør i Sydkorea og Brasilien samt ved Solar Energy Research Institute i Colorado, USA.

Derefter indledte hun sine ph.d.-studier i kemiteknik ved University of California, Berkeley, og opnåede ph.d.-graden i 1985. Siden har hun været ansat ved Caltech.

I 2018 blev Frances Arnold tildelt halvdelen af årets nobelpris i kemi. Den anden halvdel blev delt mellem George P. Smith og Gregory P. Winter.

I 2019 modtog Frances Arnold en æresdoktorgrad af DTU.

Professor Frances Arnold fra Caltech lagde vejen forbi DTU og fortalte om sin forskning i enzymer – et arbejde, der har kastet mere end 50 patenter, fire startups og en nobelpris af sig.

Naturen er en fantastisk dygtig ingeniør. Blot designer hun ikke sine systemer på et stykke papir, men benytter sig i stedet af evolution.”

Da professor Frances Arnold i 2018 modtog nobelprisen i kemi, blev hun den 52. kvinde ud af de indtil videre 908 modtagere. Med en uddannelse til ingeniør inden for mekanik og aerospace stod det ikke skrevet, at hun skulle komme til at præge det kemiske felt. Imidlertid udnytter tusinder af laboratorier verden over strategien styret evolution (det engelske fagudtryk er directed evolution, red.), som hun har været pioner for.

På samme måde som en katalysator i en kemisk reaktor fremmer en reaktion uden selv at blive forbrugt, sætter enzymer biologiske processer i gang eller øger deres hastighed.

Et eksempel på anvendelsen af Frances Arnolds strategi er produktion af insektferomoner til plantebeskyttelse. Feromoner er hormonlignende signalstoffer, som individer af samme art sender til hinanden. Når man spreder feromoner af præcis den type, som en skadelig insektart selv producerer, forstyrrer man artens forplantning – vel at mærke uden at påvirke andre arter. Derved beskytter man afgrøderne, og landmanden slipper for at bruge insektgifte.

Selve princippet har været kendt i en del år, men først nu, hvor der er fundet nye enzymer og ny kemi baseret på styret evolution, er det muligt at producere feromonerne i tilstrækkelig mængde til en konkurrencedygtig pris.

Startups inspirerer til ny forskning

Startup-virksomheden Provivi, som Frances Arnold var med til at stifte sammen med to af sine tidligere studerende i 2013, står for produktionen af feromoner. I alt har hun været med til at grundlægge fire virksomheder sideløbende med sin akademiske karriere.

”I udgangspunktet står du typisk med en teknologi og en vag idé om, hvad den kan bruges til. Først når du stifter en virksomhed og begynder at forfølge mulighederne, vil du opdage det reelle potentiale. Ofte viser det sig, at den endelige anvendelse ligger langt fra det, som du selv havde forestillet dig.”

Så hvilke råd har Frances Arnold til andre forskere med en iværksætter i maven?

”Det vigtigste er at være fleksibel. Du må være parat til at skifte retning hurtigt og først og fremmest til at inddrage folk med andre kompetencer end de forskningsmæssige. Det er helt naturligt. Vi kan nu engang ikke forvente, at forskere også er eksperter i forretningsudvikling. Men det virkelig interessante er, at hvis du går ind i tingene med en åben indstilling, vil du lære meget af de udfordringer, som startup-virksomheden støder ind i. Det er inspiration, som du kan tage med hjem og udnytte i din forskning.”

Anvendelsen af feromoner som erstatning for pesticider er et klart eksempel på, hvordan enzymbaseret bioteknologi kan gavne miljøet. Men måske endnu vigtigere er der en mere indirekte, men meget omfattende effekt på bæredygtighed i industrien. Enzymer, der er designet ved hjælp af styret evolution, kan udnyttes til at producere alt fra biobrændstoffer til medicin, og det kan vel at mærke ske på en mere bæredygtig måde end ved traditionel produktion, der ofte kræver høje temperaturer og skrap kemi. Desuden kan enzymerne i mange sammenhænge erstatte traditionelle katalysatorer, som indeholder sjældne metaller, der er knappe ressourcer med høj pris. Sidst, men ikke mindst virker enzymer meget specifikt. Det forebygger affaldsprodukter, fordi man kun får produceret netop det ønskede stof.

”Ønsket om at mindske affaldsmængderne og samtidig opnå en højere renhed af slutproduktet er i øjeblikket hovedargumentet for, at enzymer vinder indpas i industrien. Det sker især inden for højværdiproduktion som medicin,” konstaterer Frances Arnold.

To nye stoffer i kemiens værktøjskasse

Ofte gives nobelprisen til forskere, der skabte deres vigtigste resultater tidligere i karrieren, men Frances Arnold er fortsat yderst aktiv. Eksempelvis er hendes forskningsgruppe i løbet af de seneste to-tre år blevet i stand til at udføre helt nye typer af kemiske reaktioner og bindinger, f.eks. ved at skabe kulstof-silicium- bindinger i bakterier. Selvom begge grundstoffer forekommer i store mængder på vores planet, bindes de normalt ikke i biologiske systemer.

I første omgang besluttede forskerholdet at satse på proteingruppen cytochrom c. Cytochrom- proteiner indeholder en såkaldt hæmgruppe, hvor en række organiske forbindelser er knyttet til en jern-ion. Hæm kendes bl.a. fra proteinet hæmoglobin, der varetager transporten af ilt i blod. Cytochrom c har som væsentligste funktion at transportere elektroner og er generelt ikke involveret i katalyse. Imidlertid har cytochrom c en ganske svag katalytisk aktivitet netop i forhold til kulstof-silicium-bindinger.

"Jeg betragter evolution som en fantastisk algoritme, der bliver ved med at producere stadig større mangfoldighed."
NOBELPRISMODTAGER FRANCES H . ARNOLD , PROFESSOR VED CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Frances Arnold valgte at arbejde med en specifik cytochrom c-type fra bakterier, der lever i varme kilder på Island. Denne type proteiner er særdeles hårdføre og kan bl.a. tåle at blive kogt.

Ud fra det naturligt forekommende protein udførte forskerne en serie af modifikationer. Hver gang ændrede de DNA-sekvensen en anelse. De ændrede proteiner blev screenet for, om de var bedre til at katalysere de ønskede bindinger. Ved et negativt svar blev proteinet kasseret, ved et positivt gik det videre til næste runde.

Resultatet er et nyt enzym, som er i stand til at katalysere kulstof- silicium-bindinger mere end 1.000 gange. Det er langt bedre end den bedste kemisk fremstillede katalysator til formålet. Ydermere er det lykkedes holdet at producere enzymet i bakterier med højt udbytte.

For nylig er det lykkedes forskerholdet at benytte den samme metode til at skabe kulstof-bor-bindinger, som heller ikke forekommer i biologiens verden. Med andre ord er det lykkedes Frances Arnold at tilføje to nye stoffer til værktøjskassen inden for biologisk kemi.

Evolution som en algoritme

Som det ofte er tilfældet med grundforskning, kan man endnu ikke sige, hvilke praktiske anvendelser, som kulstof-silicium- og kulstof-bor-bindinger kan få. Men i betragtning af nobelpristagerens hidtidige meritter er det formentlig kun et spørgsmål om tid, før anvendelserne viser sig. Frances Arnold er medansøger på mere end 50 patenter.

”Som ingeniør har jeg altid følt, at opfindelser først bliver virkelig nyttige, når de er omsat til produkter, som folk faktisk kan holde i hænderne.”

I sin begrundelse for hæderen fremhæver Nobelkomitéen, at Frances Arnold har hentet inspirationen til sin forskning fra den naturlige evolution.

”De enzymer, som man kan finde i naturen i dag, har været under udvikling i millioner af år. Og udviklingen forløber stadig. Jeg betragter evolution som en fantastisk algoritme, der bliver ved med at producere stadig større mangfoldighed. Små forandringer, mutationer, i DNA-sekvensen afføder anderledes egenskaber og en højere grad af kompleksitet. Vi benytter den samme metode til at modificere naturligt forekommende enzymer. Derved kan vi øge deres værdi til gavn for menneskeheden,” slutter Frances Arnold.

Relaterede Videoer  

Vis flere