Frances Hamilton Arnold (nacida el 25 de julio de 1956) [1] es una ingeniera química estadounidense y ganadora del Nobel . Es profesora Linus Pauling de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica en el Instituto de Tecnología de California (Caltech). En 2018, recibió el Premio Nobel de Química por ser pionera en el uso de la evolución dirigida para diseñar enzimas . [2] Frances Arnold es directora de Alphabet Inc. desde diciembre de 2019. [3]
Frances Arnold | |
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Copresidente del Consejo de Asesores de Ciencia y Tecnología del Presidente | |
Asumió el cargo el 20 de enero de 2021 Sirviendo con Maria Zuber | |
presidente | Joe Biden |
Precedido por | Posición establecida |
Detalles personales | |
Nació | Frances Hamilton Arnold 25 de julio de 1956 [1] Edgewood, Pensilvania , EE. UU. |
Esposos) | |
Socio doméstico | Andrew E. Lange (1994-2010) |
Educación | Universidad de Princeton ( BS ) Universidad de California, Berkeley ( MS , PhD ) |
Premios | Medalla Garvan – Olin (2005) Premio FASEB a la Excelencia en Ciencias (2007) Premio Draper (2011) Medalla Nacional de Tecnología e Innovación (2013) Premio de Tecnología del Milenio (2016) Premio Sackler en Investigación de Convergencia (2017) Premio Nobel de Química (2018) |
Carrera científica | |
Campos | Ingeniería química Bioingeniería Bioquímica |
Instituciones | Instituto de Tecnología de California |
Tesis | Diseño y ampliación de separaciones por afinidad (1985) |
Asesor de doctorado | Harvey W. Blanch |
Estudiantes de doctorado | Christopher Voigt Huimin Zhao |
Desde enero de 2021, se desempeña como copresidenta externa del Consejo de Asesores en Ciencia y Tecnología (PCAST) del presidente Joe Biden . [4]
Temprana edad y educación
Arnold es hija de Josephine Inman (de soltera Routheau) y del físico nuclear William Howard Arnold , y nieta del teniente general William Howard Arnold . [5] Creció en el suburbio de Pittsburgh Edgewood y en los vecindarios de Shadyside y Squirrel Hill de Pittsburgh, y se graduó de la escuela secundaria Taylor Allderdice de la ciudad en 1974. [6] Como estudiante de secundaria, hizo autostop a Washington, DC para protestar contra la guerra de Vietnam. y vivía sola, trabajando como mesera de cócteles en un club de jazz local y como taxista. [7]
La misma independencia que llevó a Arnold a mudarse de la casa de su niñez cuando era adolescente también provocó un gran volumen de ausencias de la escuela y bajas calificaciones. A pesar de esto, Arnold obtuvo calificaciones casi perfectas en las pruebas estandarizadas y estaba decidida a asistir a la Universidad de Princeton, el alma mater de su padre. Se postuló como ingeniera mecánica y fue aceptada. [8] La motivación de Arnold detrás de estudiar ingeniería, como se dijo en su entrevista con el Premio Nobel, fue que "[ingeniería mecánica] era la opción más fácil y la forma más fácil de ingresar a la Universidad de Princeton en ese momento y nunca me fui". [9]
Arnold se graduó en 1979 con un BS grado en la mecánica y la ingeniería aeroespacial de la Universidad de Princeton , donde se especializó en investigación de energía solar. [10] Además de los cursos requeridos para su especialidad, tomó clases de economía, ruso e italiano, y se imaginó a sí misma como diplomática o directora ejecutiva, incluso considerando obtener un título avanzado en asuntos internacionales. [11] Se tomó un año libre de Princeton después de su segundo año para viajar a Italia y trabajar en una fábrica que fabricaba partes de reactores nucleares , luego regresó para completar sus estudios. [12] De regreso en Princeton, comenzó a estudiar con el Centro de Estudios Energéticos y Ambientales de Princeton, un grupo de científicos e ingenieros, en ese momento dirigido por Robert Socolow , que trabajaba para desarrollar fuentes de energía sostenibles, un tema que se convertiría en un tema central de Arnold. trabajo posterior. [12]
Después de graduarse de Princeton en 1979, Arnold trabajó como ingeniero en Corea del Sur y Brasil y en el Instituto de Investigación de Energía Solar de Colorado . [12] En el Instituto de Investigación de Energía Solar (ahora el Laboratorio Nacional de Energía Renovable), trabajó en el diseño de instalaciones de energía solar para ubicaciones remotas y ayudó a escribir documentos de posición de las Naciones Unidas (ONU) . [11]
Luego se matriculó en la Universidad de California, Berkeley , donde obtuvo un doctorado. Licenciado en ingeniería química en 1985 [13] y se interesó profundamente por la bioquímica. [14] [12] Su trabajo de tesis, realizado en el laboratorio de Harvey Warren Blanch, investigó técnicas de cromatografía de afinidad . [13] [15] Arnold no tenía experiencia en química antes de obtener un doctorado en ingeniería química. Durante el primer año de su doctorado. curso, el comité de posgrado de UC Berkeley requirió que ella tomara cursos de química de pregrado. [8]
Carrera profesional
Después de obtener su doctorado, Arnold completó una investigación postdoctoral en química biofísica en Berkeley. [16] En 1986, se unió al Instituto de Tecnología de California como asociada visitante. Fue ascendida a profesora asistente en 1986, profesora asociada en 1992 y profesora titular en 1996. Fue nombrada profesora Dick y Barbara Dickinson de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica en 2000 y, en su puesto actual, Profesora Linus Pauling de Química. Ingeniería, Bioingeniería y Bioquímica en 2017. [17] En 2013, fue nombrada directora del Centro de Bioingeniería Donna y Benjamin M. Rosen de Caltech. [17]
Arnold sirvió en la Junta de Ciencias del Instituto Santa Fe de 1995 a 2000. [18] Fue miembro del Consejo Asesor del Joint BioEnergy Institute . Arnold preside el Panel Asesor de las Becas Packard en Ciencia e Ingeniería. Formó parte del Consejo Asesor del Presidente de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah ( KAUST ). Se desempeñó como jueza del Premio Queen Elizabeth de Ingeniería y trabajó con el Intercambio de Ciencia y Entretenimiento de la Academia Nacional de Ciencias para ayudar a los guionistas de Hollywood a retratar con precisión temas científicos. [19]
En 2000, Arnold fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ingeniería por la integración de los fundamentos de la biología molecular, la genética y la bioingeniería en beneficio de las ciencias de la vida y la industria.
Es coinventora de más de 40 patentes estadounidenses. [14] Fue cofundadora de Gevo, Inc. , una empresa para fabricar combustibles y productos químicos a partir de recursos renovables en 2005. [14] En 2013, ella y dos de sus antiguos alumnos, Peter Meinhold y Pedro Coelho, cofundaron una empresa llamada Provivi investigar alternativas a los plaguicidas para la protección de cultivos. [14] [20] [21] Ha formado parte del consejo de administración de la empresa de genómica Illumina Inc. desde 2016. [22] [23]
En 2019, fue nombrada miembro de la junta de Alphabet Inc. , lo que convirtió a Arnold en la tercera directora de la empresa matriz de Google. [3]
En enero de 2021 fue nombrada copresidenta externa del Consejo de Asesores de Ciencia y Tecnología del presidente Joe Biden (PCAST). Ella está trabajando con el equipo de transición de Biden para ayudar a identificar científicos para roles en la administración. Ella dice que su trabajo principal ahora es ayudar a elegir a los miembros adicionales de PCAST y ponerse a trabajar para establecer una agenda científica para el grupo. Ella ha declarado: “Tenemos que restablecer la importancia de la ciencia en la formulación de políticas, en la toma de decisiones en todo el gobierno. Necesitamos restablecer la confianza del pueblo estadounidense en la ciencia ... Creo que PCAST puede desempeñar un papel beneficioso en eso ". [24]
Investigar
A Arnold se le atribuye ser pionero en el uso de la evolución dirigida para crear enzimas (moléculas bioquímicas, a menudo proteínas, que catalizan o aceleran las reacciones químicas) con funciones mejoradas y / o novedosas. [25] La estrategia de evolución dirigida implica rondas iterativas de mutagénesis y detección de proteínas con funciones mejoradas y se ha utilizado para crear sistemas biológicos útiles , que incluyen enzimas , vías metabólicas , circuitos reguladores genéticos y organismos. En la naturaleza, la evolución por selección natural puede conducir a proteínas (incluidas las enzimas) adecuadas para llevar a cabo tareas biológicas, pero la selección natural solo puede actuar sobre las variaciones de secuencia existentes (mutaciones) y, por lo general, ocurre durante largos períodos de tiempo. [26] Arnold acelera el proceso al introducir mutaciones en las secuencias subyacentes de proteínas; luego prueba los efectos de estas mutaciones. Si una mutación mejora la función de las proteínas, puede seguir iterando el proceso para optimizarlo aún más. Esta estrategia tiene amplias implicaciones porque se puede utilizar para diseñar proteínas para una amplia variedad de aplicaciones. [27] Por ejemplo, ha utilizado la evolución dirigida para diseñar enzimas que puedan utilizarse para producir combustibles renovables y compuestos farmacéuticos con menos daño al medio ambiente. [25]
Una ventaja de la evolución dirigida es que las mutaciones no tienen que ser completamente aleatorias; en cambio, pueden ser lo suficientemente aleatorias como para descubrir un potencial inexplorado, pero no tan aleatorias como para ser ineficaces. El número de posibles combinaciones de mutaciones es astronómico, pero en lugar de simplemente intentar probar al azar tantas como sea posible, Arnold integra su conocimiento de bioquímica para reducir las opciones, enfocándose en introducir mutaciones en áreas de la proteína que probablemente tengan más efecto positivo sobre la actividad y evitar áreas en las que las mutaciones probablemente serían, en el mejor de los casos, neutrales y, en el peor, perjudiciales (como interrumpir el plegamiento de proteínas adecuado). [25]
Arnold aplicó la evolución dirigida a la optimización de enzimas (aunque no fue la primera persona en hacerlo, véase, por ejemplo, Barry Hall [28] ). En [25] su trabajo fundamental, publicado en 1993, utilizó el método para diseñar una versión de subtilisina E que estaba activa en un entorno altamente antinatural, a saber, en el disolvente orgánico DMF . [29] Ella llevó a cabo el trabajo utilizando cuatro rondas secuenciales de mutagénesis del gen de la enzima , expresado por bacterias, mediante PCR propensa a errores . Después de cada ronda, examinó las enzimas para determinar su capacidad para hidrolizar la caseína de la proteína de la leche en presencia de DMF haciendo crecer las bacterias en placas de agar que contienen caseína y DMF. La bacteria secretaba la enzima y, si fuera funcional, hidrolizaría la caseína y produciría un halo visible. Ella seleccionó las bacterias que tenían los halos más grandes y aisló su ADN para más rondas de mutagénesis. [25] Con este método, diseñó una enzima que tenía 256 veces más actividad en DMF que la original. [30]
Después de su trabajo fundamental, Arnold ha desarrollado aún más sus métodos y los ha aplicado bajo diferentes criterios de selección con el fin de optimizar las enzimas para diferentes funciones. Mostró que, mientras que las enzimas evolucionadas naturalmente tienden a funcionar bien en un rango de temperatura estrecho, las enzimas podrían producirse mediante la evolución dirigida que podría funcionar tanto a temperaturas altas como bajas. [25] Además de mejorar las funciones existentes de las enzimas naturales, Arnold ha diseñado enzimas que realizan funciones para las que no existía ninguna enzima específica previa, como cuando desarrolló el citocromo P450 para llevar a cabo la ciclopropanación [31] y las reacciones de transferencia de carbeno y nitreno . [25] [32]
Además de la evolución de moléculas individuales, Arnold ha utilizado la evolución dirigida para coevolucionar enzimas en vías biosintéticas, como las implicadas en la producción de carotenoides [33] y L-metionina [34] en Escherichia coli (que tiene el potencial de ser utilizado como biocatalizador de células enteras). [25]
Arnold ha aplicado estos métodos a la producción de biocombustibles . Por ejemplo, desarrolló bacterias para producir el biocombustible isobutanol ; se puede producir en la bacteria E. coli , pero la vía de producción requiere el cofactor NADPH , mientras que E. coli produce el cofactor NADH . Para evitar este problema, Arnold desarrolló las enzimas en la vía para usar NADH en lugar de NADPH, lo que permitió la producción de isobutanol. [25] [35]
Arnold también ha utilizado la evolución dirigida para diseñar enzimas altamente específicas y eficientes que se pueden utilizar como alternativas ecológicas a algunos procedimientos de síntesis química industrial. [25] Ella y otros que utilizan sus métodos han diseñado enzimas que pueden llevar a cabo reacciones de síntesis más rápidamente, con menos subproductos y, en algunos casos, eliminando la necesidad de metales pesados peligrosos . [30] El método ha sido adoptado por algunos grupos de farmacología. Por ejemplo, uno de los exalumnos de Arnold, Jeffrey Moore, y sus colegas utilizaron la evolución dirigida para desarrollar una enzima para producir el medicamento para la diabetes sitagliptina (Januvia). [20]
Arnold también utiliza la recombinación de proteínas guiada por la estructura para combinar partes de diferentes proteínas para formar quimeras de proteínas con funciones únicas. Ella desarrolló métodos computacionales, como SCHEMA , para predecir cómo se pueden combinar las partes sin interrumpir su estructura parental, de modo que las quimeras se plieguen correctamente, y luego aplica la evolución dirigida para mutar aún más las quimeras para optimizar sus funciones. [36] [37]
En Caltech, Arnold dirige un laboratorio que continúa estudiando la evolución dirigida y sus aplicaciones en síntesis química ecológica y energía verde / alternativa, incluido el desarrollo de enzimas altamente activas (enzimas celulolíticas y biosintéticas) y microorganismos para convertir biomasa renovable en combustibles y productos químicos. Un artículo publicado en Science en 2019, con Inha Cho y Zhi-Jun Jia, se retiró el 2 de enero de 2020, ya que se descubrió que los resultados no eran reproducibles. [38]
Vida personal
Arnold vive en La Cañada Flintridge, California . Estaba casada con James E. Bailey, quien murió de cáncer en 2001. [39] [22] Tuvieron un hijo llamado James Bailey. [40] A Arnold le diagnosticaron cáncer de mama en 2005 y se sometió a tratamiento durante 18 meses. [41] [42]
Arnold estaba en un matrimonio de hecho con el astrofísico de Caltech Andrew E. Lange , [43] a partir de 1994, y tuvieron dos hijos, William y Joseph. [44] [40] Lange se suicidó en 2010 y uno de sus hijos, William Lange-Arnold, murió en un accidente en 2016. [22]
Sus pasatiempos incluyen viajar, bucear, esquiar, andar en bicicleta y hacer senderismo. [42]
Honores y premios
El trabajo de Arnold ha sido reconocido por muchos premios, incluido el Premio Nobel de Química 2018 , el Premio Draper de la Academia Nacional de Ingeniería (NAE) 2011 (la primera mujer en recibirlo) y la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación 2011 . [17] Fue elegida miembro de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias en 2011 e incluida en el Salón de la Fama de Inventores Nacionales en 2014. [17] Fue la primera mujer en ser elegida para las tres Academias Nacionales de los Estados Unidos: la Academia Nacional de Ingeniería (2000), Academia Nacional de Medicina , anteriormente llamada Instituto de Medicina (2004) y Academia Nacional de Ciencias (2008). [17]
Arnold es miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias , la Academia Estadounidense de Microbiología , el Instituto Estadounidense de Ingeniería Médica y Biológica y miembro internacional de la Real Academia de Ingeniería del Reino Unido en 2018. [45] [46]
En 2016 se convirtió en la primera mujer en ganar el Millennium Technology Prize , que ganó por ser pionera en la evolución dirigida . [47] En 2017, Arnold recibió el Premio Raymond y Beverly Sackler en Investigación de Convergencia de la Academia Nacional de Ciencias , que reconoce contribuciones extraordinarias a la investigación de convergencia. [48]
En 2018 fue galardonada con el Premio Nobel de Química por su trabajo en evolución dirigida, convirtiéndola en la quinta mujer en recibir el premio en sus 117 años de existencia, y la primera mujer estadounidense. [49] [50] Recibió la mitad del premio, y la otra mitad se otorgó conjuntamente a George Smith y Gregory Winter "por la exhibición de péptidos y anticuerpos en fagos ". [25] Es la primera mujer graduada de Princeton en recibir un Premio Nobel y la primera persona que obtuvo su título universitario de Princeton (hombre o mujer) en recibir un Premio Nobel en una de las categorías de ciencias naturales (química, física, y fisiología o medicina). [10] En noviembre de 2018, fue incluida como una de las 100 mujeres de la BBC. [51] El 24 de octubre de 2019, el Papa Francisco la nombró miembro de la Pontificia Academia de Ciencias . [52]
- Miembro extranjero de la Royal Society (2020) [53]
- Doctorado Honoris Causa, Universidad Técnica de Dinamarca (2019) [54]
- Premio Nobel de Química (2018)
- Elegido miembro de la American Philosophical Society (2018) [55]
- Elegido miembro internacional de la Royal Academy of Engineering (2018) [56]
- Premio Raymond y Beverly Sackler en Investigación de Convergencia (2017)
- Conferencia Spiegelman, Universidad de Illinois (2017) [57]
- Premio al Logro 2017 de la Sociedad de Mujeres Ingenieras [58]
- Título honorario de doctor en ciencias de Dartmouth College (2017) [59]
- Doctorado Honoris Causa, Universidad de Chicago (2016) [60]
- Premio de Tecnología del Milenio (2016) [61]
- Doctor Honoris Causa en Ciencias por la ETH Zurich (2015) [62]
- Premio Elmer Gaden, Biotecnología y Bioingeniería (2015) [60]
- Incluido en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales (2014) [63]
- Premio Golden Plate, Academia Estadounidense de Logros (2014) [60] [64]
- Conferencia de Emanuel Merck de la Technische Universität Darmstadt , Alemania (2013) [65]
- Premio ENI de energías renovables y no convencionales (2013) [66]
- Título honorario de doctor en ciencias de la Universidad de Estocolmo (2013) [67]
- Premio Charles Stark Draper (2011) [68]
- Medalla Nacional de Tecnología e Innovación [69] (2011)
- Academia Estadounidense de Artes y Ciencias (2011) [60]
- Título honorario de doctor en ciencias de la Universidad de Estocolmo (2013) [70]
- Miembro electo de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (2010) [60]
- Miembro electo de la Academia Estadounidense de Microbiología (2009) [60]
- Elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias (2008) [60]
- Premio FASEB a la excelencia en ciencia (2007) [60]
- Premio de ingeniería enzimática de Engineering Conferences International y Genencor (2007) [71]
- Medalla Francis P. Garvan – John M. Olin , Sociedad Química Estadounidense (2005) [60]
- Miembro electo del Instituto Americano de Ingeniería Médica y Biológica (2001) [60]
- Academia Nacional de Ingeniería (2000) [60]
Apariciones en medios populares
Apareció en el episodio 18x12 de la serie de televisión The Big Bang Theory interpretándose a sí misma. [72]
Ver también
- Cronología de las mujeres en la ciencia
- Lista de becarios internacionales de la Royal Academy of Engineering
Referencias
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enlaces externos
- Ingeniería química, Página de la facultad de Caltech
- Grupo de Investigación Arnold
- Video de Arnold hablando sobre su trabajo , de la Fundación Nacional de Medallas de Ciencia y Tecnología
- Publicaciones de Frances Arnold indexadas por Google Scholar
- Frances Arnold en Nobelprize.orgincluida la conferencia Nobel el 8 de diciembre de 2018 Innovación por evolución: dar vida a la nueva química