Geresnės chemijos gamyklos kūrimas iš mikrobų

Prather kristalai

Sasha Israel





Metabolizmo inžinieriai turi problemą: ląstelės yra savanaudiškos. Mokslininkai nori naudoti mikrobus cheminiams junginiams gaminti pramonėje. Mikrobai nori susikoncentruoti į savo augimą.

Kristala L. Jones Prather '94 sukūrė įrankį, kuris patenkina abu prieštaraujančius tikslus. Jos metabolito vožtuvas veikia kaip traukinio jungiklis: jis pajunta, kada ląstelių kultūra pakankamai dauginasi, kad išsilaikytų, ir tada nukreipia medžiagų apykaitos srautą – molekulių judėjimą keliu – norimu junginiu sintezuojančiu keliu. Rezultatai: didesnis produkto derlius ir pakankamas ląstelių augimas, kad kultūra būtų sveika ir produktyvi.

Merilendo universiteto bioinžinerijos profesorius Williamas E. Bentley daugiau nei du dešimtmečius seka Prather darbus. Vožtuvus jis vadina nauju inžinerijos principu, kuris, jo manymu, bus labai vertinamas mokslininkų bendruomenėje. Jų gebėjimas pašalinti kliūtis gali pasirodyti toks svarbus tiems, kurie bando susintetinti tam tikrą molekulę naudingais kiekiais, kad daugeliu atvejų gali nuspręsti, ar tai sėkminga, ar ne, sako Bentley.



Pratheris, MIT chemijos inžinerijos profesorius Arthuras D. Mažasis, dirba susikertančiose sintetinės biologijos ir medžiagų apykaitos inžinerijos srityse: vieta, kur mokslas, o ne menas, imituoja gyvenimą. Vožtuvai atlieka pagrindinį vaidmenį siekiant didesnio tikslo – programuoti mikrobus – daugiausia E. coli —gaminti chemines medžiagas, kurios gali būti naudojamos įvairiose srityse, įskaitant energetiką ir mediciną. Ji tai daro stebėdama, ką gali padaryti gamta. Tada ji iškelia hipotezę, ką ji turėtų padaryti su strategiškai įterptos DNR pagalba.

Didiname biologinių sistemų sintetinį pajėgumą, sako Prather, 2007 m. įtraukęs į MIT Technology Review TR35 sąrašą. Turime siekti daugiau nei biologija gali natūraliai ir pradėti gaminti junginius, kurių paprastai negamina.

Prather apibūdina savo darbą kaip naujos rūšies chemijos gamyklos kūrimą mikrobų ląstelėse, kuri efektyviai gamina itin grynus junginius. Mikrobų prikalbinimas gaminti norimus junginius yra saugesnis ir draugiškesnis aplinkai nei pasikliauti tradicine chemine sinteze, kuri paprastai apima aukštą temperatūrą, aukštą slėgį ir sudėtingus prietaisus, o dažnai ir toksiškus šalutinius produktus. Ji nesugalvojo mikrobus paversti chemijos gamyklomis, tačiau jos laboratorija yra žinoma dėl įrankių ir koregavimo procesų kūrimo, kad ji būtų efektyvi ir praktiška.



Būtent tokio požiūrio ji laikėsi su gliukaro rūgštimi, kuri turi daug komercinių pritaikymų, kai kurie iš jų yra žali. Pavyzdžiui, vandens valymo įrenginiai jau seniai naudojasi fosfatais, kad išvengtų vamzdžių korozijos ir susijungtų su metalais, tokiais kaip švinas ir varis, kad jie nepatektų į vandens tiekimą. Tačiau fosfatai taip pat maitina dumblių žydėjimą ežeruose ir vandenynuose. Gliukaro rūgštis atlieka tą patį darbą kaip ir fosfatai, nemaitindama tų toksiškų žiedų.

Prather kristalaiSASHA ISRAEL

Gliukaro rūgšties gamyba įprastu būdu – chemiškai oksiduojant gliukozę – yra brangi, dažnai gaunamas nelabai grynas produktas ir susidaro daug pavojingų atliekų. Prather mikrobų gamyklos gamina jį labai švariai ir be toksiškų šalutinių produktų už priimtiną kainą. 2011 m. ji įkūrė startuolį „Kalion“, siekdama praktiškai pritaikyti savo mikrobų gamyklos metodą. (Prather yra Kaliono vyriausiasis mokslo pareigūnas. Jos vyras Darcy Prather '91 yra jos prezidentas.)

Didelės apimties gamybą Slovakijoje rengianti įmonė turi keletą potencialių klientų. Nors didžiausi iš jų yra naftos paslaugų sektoriuje, taip pat nuostabiai, keistai chemijos veikimo būdu paaiškėja, kad tas pats junginys naudojamas vaistų gamyboje, sako Prather. Tai reikalinga, pavyzdžiui, gaminant ADHD vaistą Adderall. Be to, jis gali būti naudojamas tekstilės gaminiams tvirtinti, o tai gali paskatinti efektyvesnį medvilnės ir kitų natūralių medžiagų perdirbimą.



Pirmasis „Kalion“ taikinys yra fosfatai dėl jų tiesioginio komercinio pritaikymo. Tačiau savo platesniuose tyrimuose Prather taip pat atkreipė didelį dėmesį į naftą. Norėdama gaminti ekologiškesnes benzino ir plastikų alternatyvas, ji ir jos tyrimų grupė MIT naudoja bakterijas, kad sintetintų molekules, kurios paprastai būtų gaunamos iš naftos. Prather sako, kad jei mums pasiseks, mes darome daiktus po vieną iš lentynos ir sakome: „Jis nebėra pagamintas iš naftos. Tai dabar pagaminta iš biomasės.

Nuo Rytų Teksaso iki MIT

Gimęs Sinsinatyje, Prather užaugo Longview mieste, Teksase, naftos telkinių siurblių ir statinių fone. Jos tėvas mirė, kol jai sukako dveji. Jos motina dirbo Wylie koledže, mažoje, istoriškai juodaodžių mokykloje, ir 2004 m. čia įgijo bakalauro laipsnį, priduria Prather.

Pirmoji jos vidurinės mokyklos spalvota moteris Prather turėjo tik miglotų minčių apie akademines ir profesines galimybes už jos valstijos ribų. Kai jaunesniame kurse šeimos pašto dėžutę užplūdo koledžo brošiūros, ji paprašė istorijos mokytojo patarimo. Matematika buvo mano mėgstamiausias dalykas vidurinėje mokykloje, o chemija man patiko, sako Prather. Mokytoja jai pasakė, kad matematika ir chemija prilygsta chemijos inžinerijai ir kad jei ji nori būti inžinieriumi, ji turėtų eiti į MIT. Kas yra MIT? – paklausė Prateris.



Kiti bendruomenės nariai nebuvo geriau informuoti. Tuometinis DeVry technologijos institutas, pelno siekianti mokykla, turinti ne tokią puikią akademinę reputaciją ir miestelius visoje šalyje, smarkiai reklamavosi per televiziją. Kai ji žmonėms pasakė, kad eina į MIT, jie manė, kad tai buvo DeVry filialas Masačusetse. Jie buvo nusivylę, nes manė, kad aš padarysiu didelių dalykų, sako Prather. Bet čia aš eidavau į šią prekybos mokyklą būti santechniko padėjėja.

1990 m. birželio mėn. Prather atvyko į universiteto miestelį dalyvauti Interphase programoje, kurią siūlo MIT Mažumų švietimo biuras. Sukurta palengvinti ateinančių studentų perėjimą, „Interphase“ pakeitė žaidimą, sako Prather. Programa supažindino ją su ilgalaike draugų grupe ir supažindino su miesteliu. Svarbiausia, tai įkvėpė pasitikėjimo. Atvykusi iš mokyklos, kurioje nebuvo AP pamokų, Prather nerimavo, kad pradės už kreivės. Kai ji sužinojo, kad moko medžiagą savo Interphase matematikos pamokoje, tai palengvėjo. Kai man buvo nuobodu, pagalvojau: „Aš čia priklausau“, – sako ji.

Būdamas bakalauro laipsnio Prather buvo susidūręs su bioprocesų inžinerija, kuri naudoja gyvas ląsteles norimiems cheminiams ar fiziniams medžiagos pokyčiams sukelti. Tuo metu mokslininkai ląsteles, nuo kurių prasideda procesas, laikė fiksuotais. Pratherį sužavėjo mintis, kad galite sukurti ne tik procesą, bet ir pačios ląstelės biologiją. Tai, kaip galite kopijuoti, iškirpti ir įklijuoti DNR, patiko tai mano daliai, kuri mėgo matematiką, sako ji.

Prather nusprendė pasilikti

verslo pasaulis sumažintų riziką, kad jos akademinė karjera taps nereikšminga realiame pasaulyje.

Baigusi studijas 1994 m., Prather įgijo daktaro laipsnį Kalifornijos universitete Berklyje, kur jos patarėju buvo Jay'us Keaslingas, chemijos ir biomolekulinės inžinerijos profesorius, kuris buvo naujos sintetinės biologijos srities priešakyje. Berklyje Prather ieškojo būdų, kaip perkelti DNR į ląsteles ir iš jų, kad optimizuotų pageidaujamų baltymų kūrimą.

Tuo metu buvo įprasta sukaupti ląsteles su daugybe DNR, o tai savo ruožtu gamintų daug baltymų, kurie sukurtų daug norimo cheminio junginio. Tačiau kilo problema, kurią Pratheris, gyvenantis netoli vaizdingo valstybinio parko, paaiškina vietine analogija. Galiu leistis į lengvą žygį Mėlynųjų kalvų rezervate, sako ji, bet ne, jei man ant nugaros uždėsi 50 svarų pakuotę. Panašiai perkrauta ląstelė kartais gali atsakyti sakydama: „Aš per daug pavargęs.“ Pratherio daktaro disertacijoje buvo nagrinėjamos sistemos, kurios efektyviai gamina daug norimos cheminės medžiagos naudojant mažiau DNR.

Ketvirtaisiais metais Berklyje Prather gavo stipendiją iš „DuPont“ ir išvyko į Delaverą, kur surengė pirmąjį pilną pristatymą. Vadovaudamasi įprastine konferencijų praktika, ji savo auditorijai išdėstė tris motyvus, kuriais grindžiamas jos tyrimas. Vėliau vienas iš bendrovės mokslininkų jai mandagiai paaiškino, kodėl visi trys buvo suklaidinti. Jis pasakė: „Tai, ką jūs darote, yra įdomu ir svarbu, bet jus motyvuoja tai, kas, jūsų manymu, yra svarbu pramonėje“, – sako Prather. „Ir mums tiesiog nerūpi jokie tie dalykai“.

Nusižeminusi Prather nusprendė, kad viešnagė verslo pasaulyje sumažins riziką, kad jos akademinė karjera taps nereikšminga realiame pasaulyje. Kitus ketverius metus ji praleido „Merck“ grupėje, kurdama procesus, tokius kaip gydomieji baltymai ir vakcinos. Ten ji sužinojo apie projektus ir problemas, kurios yra svarbiausios tokiems praktikams kaip jos „DuPont“ kritikas.

Merck samdė daugybę chemikų, kad pagamintų didelius kiekius cheminių junginių, skirtų naudoti naujuose vaistams. Kai atrodė, kad dalis šio proceso labiau tinka biologijai nei chemijai, jie perdavė jį katedrai, kurioje dirbo Prather, kuri naudojo fermentus kitam žingsniui atlikti. Paprastai tai nebuvo labai sudėtingos reakcijos, sako Prather. Vienas veiksmas konvertuoja A į B.

Prather buvo sužavėtas galimybe atlikti ne tik atskirus veiksmus, bet ir visą cheminę sintezę ląstelėse, naudojant reakcijų grandines, vadinamas metaboliniais keliais. Šis darbas įkvėpė tai, kas taps vienu iš labiausiai pripažintų jos tyrimų MIT, kur ji įstojo į fakultetą 2004 m.

Gamybos jungiklio radimas

Netrukus po grįžimo į MIT ši jauna moteris iš Teksaso naftos telkinio ėmėsi iškastinio kuro ir jo šalutinių produktų. Daugelis jos laboratorijos projektų yra skirti naftos, kaip žaliavos, pakeitimui. Viename – bendradarbiaudama su MIT kolegomis Bradu Olsenu '03, chemijos inžinieriumi ir Desiree Plata, PhD '09, civilinės ir aplinkosaugos inžinieriumi, Prather naudoja biomasę, kad sukurtų atsinaujinančius polimerus, kurie galėtų padėti sukurti ekologiškesnį plastiką. Jos laboratorija aiškinasi, kaip paskatinti mikrobus augalų cukrų paversti monomerais, kurie vėliau gali būti chemiškai paverčiami polimerais, kad būtų sukurtas plastikas. Pasibaigus plastiko naudojimo laikui, jis biologiškai skaidosi ir vėl virsta maistinėmis medžiagomis. Tos maistinės medžiagos suteiks jums daugiau augalų, iš kurių galėsite išgauti daugiau cukraus, kurį galėsite paversti naujomis cheminėmis medžiagomis, kurios bus panaudotos naujam plastikui, sako Prather. Tai ten gyvenimo ratas.

Šiomis dienomis ji atkreipia daugiausiai dėmesio į savo medžiagų apykaitos takų optimizavimo tyrimus – tyrimus, kuriuos ji ir kiti mokslininkai gali panaudoti siekdami maksimaliai padidinti norimo produkto išeigą.

Iššūkis yra tas, kad ląstelės pirmenybę teikia maistinėms medžiagoms, tokioms kaip gliukozė, augindamos, o ne gamindamos šiuos pageidaujamus junginius. Daugiau ląstelės augimo reiškia mažiau produkto mokslininkui. Taigi jūs susiduriate su konkurencijos problema, sako Prather.

Paimkite gliukaro rūgštį, Prather įmonės gaminamą cheminę medžiagą, kuri, pasak Keaslingo, yra nepaprastai svarbi pramonei. (Jis sako, kad šių molekulių gamyba nėra triviali, ypač pramoniniu būdu reikalingais kiekiais.) Prather ir jos laboratorija pridėjo tris genus – paimtus iš pelių, mielių ir bakterijų. E. coli , leidžiančios bakterijoms paprastą cukrų paversti gliuko rūgštimi. Tačiau bakterijoms taip pat reikėjo šio cukraus medžiagų apykaitos keliui, kuris skaido gliukozę, kad pamaitintų savo augimą ir dauginimąsi.

Prather komanda norėjo sustabdyti augimą maitinantį kelią ir nukreipti cukrų į gliukaro rūgšties gamybos būdą, tačiau tik po to, kai bakterijų kultūra pakankamai išaugo, kad galėtų išsilaikyti kaip produktyvi chemijos gamykla. Norėdami tai padaryti, jie naudojo kvorumo jutimą – tam tikrą komunikaciją, per kurią bakterijos dalijasi informacija apie ląstelių skaičiaus pokyčius savo kolonijoje, o tai leidžia joms koordinuoti visos kolonijos funkcijas, tokias kaip genų reguliavimas. Komanda sukūrė kiekvieną ląstelę, kad pagamintų baltymą, kuris vėliau sukuria molekulę, vadinamą AHL. Kai kvorumo jutimas aptinka tam tikrą AHL kiekį – kiekį, pagamintą per laiką, per kurį kultūra pasiekia tvarų dydį, jis įjungia jungiklį, kuris išjungia fermento, kuris yra gliukozės skilimo proceso dalis, gamybą. Gliukozė pereina į cheminės sintezės kelią, labai padidindama pagamintos gliukaro rūgšties kiekį.

Prather's jungikliai, vadinami metabolitų vožtuvais, dabar naudojami procesuose, kuriuose mikrobai panaudojami gaminant platų asortimentą norimų cheminių medžiagų. Vožtuvai atsidaro arba užsidaro reaguodami į tam tikrų molekulių tankio pokyčius kelyje. Šiuos jungiklius galima tiksliai sureguliuoti, kad būtų optimizuota gamyba, nepakenkiant bakterijų sveikatai, o tai žymiai padidina našumą. Mokslininkų pavyzdinis straipsnis, kuris buvo paskelbtas Nature Biology 2017 m., buvo cituojamas beveik 200 kartų. Šiuo metu tikslas yra padidinti skalę.

Kaip ir daugelis mechanizmų, kuriuos Prather naudoja savo tyrimuose, tokie jungikliai jau egzistuoja biologijoje. Ląstelės, kurių ištekliams grėsmę kelia kaimyninės svetimos ląstelės, pereis iš augimo režimo į antibiotikų gamybą, kad nužudytų savo konkurentus. Ląstelės, kurios gamina tokius dalykus kaip antibiotikai, turi natūralų būdą pirmiausia pasigaminti daugiau savęs, o paskui panaudoti savo išteklius gaminiui gaminti, sako ji. Sukūrėme sintetinį gamtos mėgdžiojimo būdą.

Prather's Berkeley patarėjas Keaslingas naudojo išvestinį jungiklį, įkvėptą jos tyrimų. Jis sako, kad priemonė, skirta nukreipti medžiagų apykaitos srautą – medžiagų srautą metabolizmo keliu – yra itin svarbus darbas, kurį, manau, ateityje plačiai naudos medžiagų apykaitos inžinieriai. Kai Kristala ką nors paskelbia, žinai, kad tai veiks.

Mentorystė jauniesiems mokslininkams

Prather sulaukia bent tiek pat pripažinimo už mokymą ir mentorystę, kiek už savo mokslinius tyrimus. Ji labai rūpinasi švietimu ir yra investuota į savo studentus taip, kad jie tikrai išsiskirtų, sako Keasling. Studentai apibūdina jos optimizmą ir palaikymą, sakydami, kad ji motyvuoja neįsakydama. Ji sukūrė aplinką, kurioje galėjau laisvai daryti savo klaidas, mokytis ir tobulėti, sako Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, studijavęs Prather 2007–2012 m., o dabar yra chemijos ir biomedicinos docentas. inžinerija Delavero universitete. Jis pažymi, kad kai kuriose kitose laboratorijose turite griežtų terminų ir dirbate arba išsigaunate.

Būtent Merck Prather suprato, kaip labai jai patinka dirbti su jaunais mokslininkais, taip pat čia ji surinko valdymo arsenalą, kurį naudoja savo laboratorijai valdyti. Taigi, pavyzdžiui, ji pasirūpina, kad susipažintų su kiekvieno mokinio pageidavimais dėl bendravimo stiliaus, nes sąžiningai elgtis su visais nėra tas pats, kas elgtis su visais vienodai, sako ji. Asmeniniai susitikimai prasideda kelių minučių pokalbiu bendromis temomis, todėl Prather gali išsiaiškinti mokinių būsenas ir įsitikinti, kad jiems viskas gerai. Ji nustato aiškius standartus, siekdama išvengti netikrumo dėl lūkesčių, kurie būdingi akademinėse laboratorijose. O kai studentai iškelia susirūpinimą, svarbu dokumentuoti ir patvirtinti, kad jie buvo išgirsti, sako ji.

Veiksmingiausi lyderiai modeliuoja elgesį, kurį nori matyti kituose. Prather, 2017 m. gavusi MIT Martino Lutherio Kingo lyderystės apdovanojimą, tikisi iš savo absolventų ir doktorantų atsidavimo ir aukštų rezultatų, bet ne jų fizinės ar psichinės sveikatos sąskaita. Ji neskatina dirbti savaitgaliais – kiek tai įmanoma biologijos srityje – ir reikalauja, kad laboratorijos nariai atostogautų. Ir nuo pat pradžių ji įrodė, kad vienu metu galima atlikti aukščiausios klasės mokslus ir turėti asmeninį gyvenimą.

Prather susitinka su chemijos inžinerijos absolventu K

Prather susitinka su chemijos inžinerijos absolventu K'yal Bannister, kuris kuria atsinaujinančių monomerų gamybos projekto būdus.

SASHA ISRAEL

Abi Prather dukros buvo universiteto vaikai. Kai įstojo į fakultetą, jai buvo 31 metai, auginanti dviejų mėnesių kūdikį, ji slaugė dukrą savo kabinete, prieš palikdama ją naujoje instituto kūdikių priežiūros įstaigoje. Vėliau ji prie savo stalo pasistatė nedidelį stalą ir kėdes kaip žaidimų aikštelę. Vaikai lydėjo ją į darbo keliones – Prather ir jos vyras pakaitomis stebėjo juos, kai jie buvo maži, ir dažnai dalyvauja mamos vakaro ir savaitgalio renginiuose. Prather prisimena, kaip atvyko į pristatymą 32–123 su abiem vaikais ir pirmoje eilėje pasodino juos su užkandžiais. Mano dukra nedelsdama numetė marinaros padažą, kad jis būtų su mocarelos lazdelėmis ant grindų, sako ji. 15 minučių prieš kalbėdamas buvau ant rankų ir kelių šluostydamas raudonąjį padažą.

Prather nustato ribas. Ji atmeta beveik kiekvieną kvietimą penktadienio vakarams, o tai yra šeimos laikas. Kelionės ribojamos iki dviejų per mėnesį, ji nekeliaus nei per šeimos nario gimtadienį, nei per savo jubiliejų. Tačiau ji taip pat priima studentus į savo namus, kur rengia šašlykus ir Padėkos dienos vakarienes visiems, kurie neturi kur eiti. Aš atsinešu juos į savo namus ir į savo gyvenimą, sako ji.

Kai Saliamonas buvo Prather mokinys, ji netgi priėmė jo tėvus. Tas svetingumas tęsėsi jam baigus mokslus, kai jis su mama susitiko su buvusiu profesoriumi per konferenciją Vokietijoje. Ji maloniai rūpinosi mano mama, nes žinojo, kad bendradarbiauju, siekdama tęsti savo karjerą, sako Solomonas.

Tai buvo veiksmas, atitinkantis Prather prioritetus. Be naujovių, be atradimų, jos pagrindinis tikslas yra sukurti savarankiškai sėkmingus mokslininkus. Svarbiausias dalykas, kurį mes, kaip mokslininkai, darome, yra mokyti studentus ir postdocs, sako ji. Jei jūsų mokiniai yra gerai apmokyti ir pasiruošę tobulinti žinias – net jei tas dalykas, su kuriuo dirbame, niekur nedingsta – man tai yra laimėjimas.


Būdamas juodu MIT

Liudydamas rasizmą

Būdama MIT studentė, Kristala Jones Prather '94 niekada nebuvo rasistinio elgesio taikinys. Tačiau ji sako, kad kitiems juodiesiems studentams nepasisekė. Nors niekas jai nekėlė tiesioginio iššūkio, miestelyje tvyrojo bendra atmosfera, kuri suabejojo ​​mano egzistavimo pagrįstumu, sako ji. „The Tech“ straipsniuose teigiama, kad teigiami veiksmai mažina studentų baseino kokybę.

Jos jaunesniaisiais metais grupė, stovėjusi ant brolio stogo, svaidė rasinius įžeidimus juodaodžiams studentams, einantiems atgal į savo bendrabutį. Atsakydama į tai, Prather ir kitas studentas bendradarbiavo su Clarence G. Williams, HM '09, specialiuoju prezidento padėjėju, kad sukurtų dokumentinį filmą Tai intuityviai akivaizdu apie juodaodžių studentų patirtį MIT.

Dalyvavau daug aktyvių veiksmų, kad sukurčiau atmosferą, kurioje studentai neturėtų suvokti, kad MIT užsiima labdara, sako Prather. Atvirkščiai, tai suteikė galimybę studentams, kurie įrodė savo gebėjimus išdidžiai atstovauti institucijai.

Prather sprendimas grįžti į MIT kaip dėstytoja buvo sunkus iš dalies dėl to, kad buvę juodaodžiai klasės draugai, kurių daugelis patyrė atvirą rasizmą, atgrasė savo vaikus lankytis. Ji taip pat nerimavo, kad šį kartą jai nepavyks išvengti asmeninių išpuolių. Nenorėjau, kad visi teigiami jausmai, kuriuos turėjau apie MIT, būtų sugriauti, sako ji.

Tos baimės pasirodė nepagrįstos. Prather sako, kad sulaukė didžiulio skyriaus vadovo ir kolegų palaikymo, taip pat gausių lyderystės galimybių. Tačiau ji pripažįsta, kad ne visi jos bendraamžiai gali pasakyti tą patį. Ji labai optimistiškai žiūri į dabartinę instituto įvairovės iniciatyvą. Mes darome pažangą, sako ji. Laukiu, ar tikrai yra pasiryžimas sukurti aplinką, kurioje spalvoti studentai jaustųsi, kad institutas yra jų namai.

paslėpti