211service.com
Budowa lepszej fabryki chemicznej — z drobnoustrojów
Sasha Israel
Inżynierowie metabolizmu mają problem: komórki są samolubne. Naukowcy chcą wykorzystać drobnoustroje do produkcji związków chemicznych do zastosowań przemysłowych. Mikroby wolą koncentrować się na własnym rozwoju.
Kristala L. Jones Prather ’94 opracowała narzędzie, które spełnia oba sprzeczne cele. Jej zawór metabolitu działa jak przełącznik pociągu: wyczuwa, kiedy kultura komórkowa rozmnażała się na tyle, by się utrzymać, a następnie przekierowuje przepływ metaboliczny — ruch cząsteczek na ścieżce — w dół toru, który syntetyzuje pożądany związek. Wyniki: większa wydajność produktu i wystarczający wzrost komórek, aby hodowla była zdrowa i wydajna.
William E. Bentley, profesor bioinżynierii na Uniwersytecie Maryland, śledzi prace Prathera od ponad dwóch dekad. Nazywa zawory nową zasadą w inżynierii, która, jak przewiduje, będzie wysoko ceniona w środowisku naukowym. Ich zdolność do eliminowania wąskich gardeł może okazać się tak ważna dla tych, którzy próbują zsyntetyzować określoną cząsteczkę w użytecznych ilościach, że w wielu przypadkach może to zadecydować, czy jest to udane przedsięwzięcie, czy nie, mówi Bentley.
Prather, Arthur D. Little, profesor inżynierii chemicznej z MIT, pracuje w przecinających się dziedzinach biologii syntetycznej i inżynierii metabolicznej: w miejscu, w którym życie naśladuje nauka, a nie sztuka. Zawory odgrywają główną rolę w jej większym celu, jakim jest programowanie drobnoustrojów — przede wszystkim E coli —do produkcji chemikaliów, które mogą być wykorzystywane w wielu dziedzinach, w tym w energetyce i medycynie. Robi to, obserwując, co potrafi natura. Następnie stawia hipotezę, co powinno być w stanie zrobić z pomocą strategicznie wstawionego DNA.
„Zwiększamy zdolność syntetyczną systemów biologicznych”, mówi Prather, który w 2007 r. sporządził listę TR35 MIT Technology Review. Musimy wyjść poza to, co biologia może naturalnie zrobić i zacząć tworzyć związki, których normalnie nie wytwarza.
Prather opisuje swoją pracę jako stworzenie nowego rodzaju fabryki chemicznej wewnątrz komórek drobnoustrojów — takiej, która skutecznie wytwarza ultraczyste związki na dużą skalę. Nakłanianie drobnoustrojów do wytwarzania pożądanych związków jest bezpieczniejsze i bardziej przyjazne dla środowiska niż poleganie na tradycyjnej syntezie chemicznej, która zwykle obejmuje wysokie temperatury, wysokie ciśnienia i skomplikowane oprzyrządowanie – a często toksyczne produkty uboczne. To nie ona wpadła na pomysł przekształcenia drobnoustrojów w fabryki chemiczne, ale jej laboratorium znane jest z opracowywania narzędzi i procesów dostrajania, które czynią je wydajnymi i praktycznymi.
Takie podejście przyjęła z kwasem glukarowym, który ma wiele zastosowań komercyjnych, niektóre z nich są zielone. Na przykład stacje uzdatniania wody od dawna wykorzystują fosforany, które zapobiegają korozji rur i wiążą się z metalami, takimi jak ołów i miedź, dzięki czemu nie przedostają się do wody. Ale fosforany zasilają również zakwity glonów w jeziorach i oceanach. Kwas glukarowy działa tak samo jak fosforany, nie zasilając tych toksycznych zakwitów.
SASHA ISRAELWytwarzanie kwasu glukarowego w zwykły sposób – poprzez chemiczne utlenianie glukozy – jest drogie, często daje produkt, który nie jest bardzo czysty i tworzy wiele niebezpiecznych odpadów. Fabryki mikrobiologiczne Prathera produkują go z wysokim poziomem czystości i bez toksycznych produktów ubocznych, po rozsądnych kosztach. W 2011 roku była współzałożycielką startupu Kalion, aby wcielić w życie swoje podejście do mikrobiologii i fabryki. (Prather jest dyrektorem ds. nauki w Kalion. Jej mąż, Darcy Prather ’91, jest jej prezesem).
Firma, która planuje produkcję na dużą skalę na Słowacji, ma kilku potencjalnych klientów. Chociaż największe z nich znajdują się w usługach naftowych, okazuje się również, że w cudowny, zwariowany sposób działa chemia, że ten sam związek jest używany w produkcji farmaceutycznej, mówi Prather. Jest wymagany np. przy produkcji leku ADHD Adderall. Może być również używany do wzmacniania tekstyliów, co może prowadzić do bardziej efektywnego recyklingu bawełny i innych materiałów naturalnych.
Pierwszym celem Kalion są fosforany, ze względu na ich bezpośrednie zastosowania komercyjne. Ale w swoich szerszych badaniach Prather zwróciła również uwagę na ropę naftową. Chcąc produkować bardziej ekologiczne alternatywy dla benzyny i tworzyw sztucznych, ona i jej grupa badawcza w MIT wykorzystują bakterie do syntezy cząsteczek, które normalnie pochodziłyby z ropy naftowej. Pełen obraz, jeśli odniesiemy sukces, mówi Prather, to, co robimy, to przesuwanie rzeczy jeden po drugim z półki, aby powiedzieć: „To już nie jest wytwarzane z ropy naftowej. Teraz jest zrobiony z biomasy”.
Ze wschodniego Teksasu do MIT
Urodzony w Cincinnati, Prather dorastał w Longview w Teksasie, na tle pomp naftowych i żurawi. Jej ojciec zmarł, zanim skończyła dwa lata. Prather szybko dodaje, że jej matka pracowała w Wylie College, małej, historycznie czarnej szkole – i sama zdobyła tam tytuł licencjata w 2004 roku.
Jako pierwsza kolorowa wychowanka jej liceum, Prather miała jedynie mgliste wyobrażenia na temat możliwości akademickich i zawodowych poza swoim stanem. Gdy w młodszym roku szkolne broszury zasypały rodzinną skrzynkę pocztową, poprosiła o radę nauczyciela historii. Matematyka była moim ulubionym przedmiotem w szkole średniej i lubiłem chemię, mówi Prather. Nauczycielka powiedziała jej, że matematyka i chemia równają się inżynierii chemicznej i że jeśli chce zostać inżynierem, powinna iść na MIT. Co to jest MIT? zapytał Prather.
Inni członkowie społeczności nie byli lepiej poinformowani. To, co było wówczas DeVry Institute of Technology, szkołą nastawioną na zysk z mniej niż gwiazdorską reputacją akademicką i kampusami w całym kraju, intensywnie reklamowało się w telewizji. Kiedy powiedziała ludziom, że idzie do MIT, założyli, że to oddział DeVry w Massachusetts. Byli rozczarowani, ponieważ myśleli, że zrobię wspaniałe rzeczy, mówi Prather. Ale tutaj szedłem do tej szkoły zawodowej, żeby być asystentem hydraulika.
W czerwcu 1990 Prather przybył do kampusu, aby wziąć udział w Interphase, programie oferowanym przez Biuro Edukacji Mniejszości MIT. Zaprojektowany, aby ułatwić przejście przyjeżdżającym studentom, Interphase zmienił zasady gry, mówi Prather. Program zapoznał ją z niezmienną grupą przyjaciół i zapoznał z kampusem. Co najważniejsze, wzbudziło to zaufanie. Pochodzący ze szkoły bez zajęć z AP, Prather martwił się, że zacznie za zakrętem. Kiedy odkryła, że zna materiał na zajęciach z matematyki w Interphase, odetchnęła z ulgą. Kiedy się nudziłam, myślałam: „Ja tu należę” – mówi.
Podczas studiów licencjackich Prather był narażony na inżynierię bioprocesową, która wykorzystuje żywe komórki do wywoływania pożądanych zmian chemicznych lub fizycznych w materiale. W tamtym czasie naukowcy traktowali komórki, z których zaczyna się proces, jako coś utrwalonego. Prather zaintrygował pomysł, że można zaprojektować nie tylko proces, ale także biologię samej komórki. Sposób, w jaki można było kopiować, wycinać i wklejać DNA, przemówił do części mnie, która lubiła matematykę, mówi.
Prather zdecydował się na pobyt w
świat korporacji ograniczyłby ryzyko, że jej kariera akademicka zostanie sprowadzona do nieistotności w świecie rzeczywistym.
Po ukończeniu studiów w 1994 r. Prather uzyskała doktorat na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, gdzie jej doradcą był Jay Keasling, profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej, który był liderem nowej dziedziny biologii syntetycznej. W Berkeley Prather szukał sposobów na przeniesienie DNA do iz komórek, aby zoptymalizować tworzenie pożądanych białek.
W tamtych czasach praktykowano wypełnianie komórek dużą ilością DNA, które z kolei produkowało dużo białka, które generowało dużo pożądanego związku chemicznego. Ale był problem, który Prather — który mieszka w pobliżu malowniczego parku stanowego — wyjaśnia lokalną analogię. Mogę wybrać się na lekką wędrówkę po rezerwacie Blue Hills, mówi, ale nie, jeśli założysz mi 50-funtowy plecak na plecy. Podobnie, przeładowana komórka może czasami odpowiedzieć, mówiąc: „Jestem zbyt zmęczona”. Rozprawa doktorska Prathera badała systemy, które skutecznie wytwarzają dużo pożądanej substancji chemicznej przy użyciu mniejszej ilości DNA.
Na czwartym roku w Berkeley Prather otrzymała stypendium od DuPont i pojechała do Delaware na swoją pierwszą pełnometrażową prezentację. Zgodnie ze standardową praktyką konferencyjną przedstawiła swoim słuchaczom trzy motywacje leżące u podstaw jej badań. Później jeden z naukowców firmy uprzejmie wyjaśnił jej, dlaczego wszyscy trzej byli w błędzie. Powiedział: „To, co robisz, jest interesujące i ważne, ale motywuje Cię to, co uważasz za ważne w branży” – mówi Prather. „I po prostu nie obchodzi nas żadna z tych rzeczy”.
Upokorzony Prather zdecydował, że pobyt w świecie korporacji zmniejszy ryzyko, że jej kariera akademicka zostanie sprowadzona do nieistotności w świecie rzeczywistym. Spędziła kolejne cztery lata w firmie Merck, w grupie rozwijającej procesy wytwarzania takich rzeczy, jak białka terapeutyczne i szczepionki. Tam dowiedziała się o rodzajach projektów i problemach, które mają największe znaczenie dla praktyków, takich jak jej krytyk DuPont.
Merck wykorzystał hordy chemików do produkcji dużych ilości związków chemicznych do wykorzystania w nowych lekach. Kiedy część tego procesu wydawała się lepiej pasować do biologii niż do chemii, przekazywali ją wydziałowi, w którym pracował Prather, który używał enzymów do wykonania następnego kroku. Zazwyczaj nie były to bardzo skomplikowane reakcje, mówi Prather. Jednoetapowa konwersja A do B.
Prather był zaintrygowany możliwością wykonania nie tylko poszczególnych etapów, ale całej syntezy chemicznej w komórkach, z wykorzystaniem łańcuchów reakcji zwanych szlakami metabolicznymi. Ta praca zainspirowała to, co stało się jednym z jej najbardziej cenionych badań na MIT, gdzie dołączyła do wydziału w 2004 roku.
Znalezienie przełącznika produkcyjnego
Niedługo po powrocie do MIT ta młoda kobieta z teksańskiego pola naftowego zainteresowała się paliwami kopalnymi i ich produktami ubocznymi. Wiele projektów jej laboratorium skupia się na zastąpieniu ropy naftowej jako surowca. W jednym – we współpracy z kolegami z MIT, Bradem Olsenem ’03, inżynierem chemikiem i dr Desiree Plata, dr hab. Jej laboratorium zastanawia się, jak skłonić drobnoustroje do przekształcenia cukru z roślin w monomery, które następnie można przekształcić chemicznie w polimery w celu wytworzenia plastiku. Pod koniec okresu użytkowania plastik ulega biodegradacji i zamienia się z powrotem w składniki odżywcze. Te składniki odżywcze dadzą ci więcej roślin, z których będziesz mógł wydobyć więcej cukru, który możesz przekształcić w nowe chemikalia, które będą wykorzystywane w nowych tworzywach sztucznych, mówi Prather. To krąg życia tam.
Obecnie najwięcej uwagi poświęca swoim badaniom nad optymalizacją szlaków metabolicznych — badaniach, które ona i inni naukowcy mogą następnie wykorzystać do maksymalizacji wydajności pożądanego produktu.
Wyzwanie polega na tym, że komórki traktują priorytetowo wykorzystanie składników odżywczych, takich jak glukoza, do wzrostu, a nie do produkcji tych pożądanych związków. Większy wzrost komórki oznacza mniej produktu dla naukowca. Więc natrafiasz na problem z konkurencją, mówi Prather.
Weźmy na przykład kwas glukarowy, substancję chemiczną produkowaną przez firmę Prathera, która według Keaslinga jest niezwykle ważna dla przemysłu. (Te molekuły nie są trywialne w produkcji, zwłaszcza w ilościach, które są potrzebne przemysłowo, mówi.) Prather i jej laboratorium dodali trzy geny — pochodzące od myszy, drożdży i bakterii — do E coli , umożliwiając bakteriom przekształcenie pewnego rodzaju cukru prostego w kwas glukarowy. Ale bakterie potrzebowały tego cukru również do szlaku metabolicznego, który rozkłada glukozę, aby zapewnić własny wzrost i reprodukcję.
Zespół Prathera chciał zamknąć ścieżkę odżywiania wzrostu i skierować cukier na ścieżkę produkującą kwas glukarowy – ale dopiero po tym, jak kultura bakteryjna rozwinie się na tyle, aby utrzymać się jako produktywna fabryka chemiczna. W tym celu wykorzystali quorum sensing, rodzaj komunikacji, za pośrednictwem której bakterie dzielą się informacjami o zmianach liczby komórek w swojej kolonii, co pozwala im koordynować funkcje całej kolonii, takie jak regulacja genów. Zespół zmodyfikował każdą komórkę tak, aby wyprodukowała białko, które następnie tworzy cząsteczkę zwaną AHL. Gdy funkcja quorum sensing wykryje pewną ilość AHL — ilość wytworzoną w czasie, jaki zajmuje kulturze osiągnięcie trwałego rozmiaru — aktywuje przełącznik, który wyłącza wytwarzanie enzymu, który jest częścią procesu rozkładu glukozy. Glukoza przesuwa się na szlak syntezy chemicznej, znacznie zwiększając ilość wytwarzanego kwasu glukarowego.
Przełączniki Prathera, zwane zaworami metabolitów, są obecnie używane w procesach, które wykorzystują drobnoustroje do produkcji szerokiej gamy pożądanych chemikaliów. Zastawki otwierają się lub zamykają w odpowiedzi na zmiany gęstości poszczególnych cząsteczek na szlaku. Przełączniki te można precyzyjnie dostroić, aby zoptymalizować produkcję bez narażania zdrowia bakterii, radykalnie zwiększając wydajność. Flagowy artykuł badaczy, opublikowany w Nature Biology w 2017 roku, był cytowany prawie 200 razy. Celem na tym etapie jest zwiększenie skali.
Podobnie jak wiele mechanizmów używanych przez Prather w swoich badaniach, takie przełączniki już istnieją w biologii. Komórki, których zasoby są zagrożone przez sąsiednie komórki obce, przejdą z trybu wzrostu na produkcję antybiotyków, aby na przykład zabić swoich konkurentów. Mówi, że komórki, które wytwarzają takie rzeczy jak antybiotyki, w naturalny sposób najpierw wytwarzają więcej samych siebie, a następnie wykorzystują swoje zasoby do wytwarzania produktu. Opracowaliśmy syntetyczny sposób naśladowania natury.
Doradca Prathera z Berkeley, Keasling, używa pochodnej przełącznika inspirowanego jej badaniami. „Narzędzie do kierowania strumieniem metabolicznym – przepływem materiału przez szlak metaboliczny – jest bardzo ważną pracą, która moim zdaniem będzie szeroko stosowana w przyszłości przez inżynierów metabolicznych”, mówi. Kiedy Kristala coś publikuje, wiesz, że to zadziała.
Mentoring młodych naukowców
Prather otrzymuje co najmniej tyle samo uznania za nauczanie i mentoring, co za swoje badania. Bardzo dba o edukację i inwestuje w swoich uczniów w sposób, który naprawdę się wyróżnia, mówi Keasling. Uczniowie opisują jej optymizm i wsparcie, mówiąc, że motywuje bez dowodzenia. Stworzyła środowisko, w którym mogłem swobodnie popełniać własne błędy, uczyć się i rozwijać, mówi Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, który studiował u Prathera w latach 2007-2012, a obecnie jest adiunktem w dziedzinie chemii i biomedycyny. inżynieria na Uniwersytecie Delaware. Zauważa, że w niektórych innych laboratoriach masz napięte terminy i występujesz albo wariujesz.
To właśnie w firmie Merck Prather zdała sobie sprawę, jak bardzo lubi pracować z młodymi naukowcami — i tam też zebrała arsenał zarządzania, którego używa do prowadzenia laboratorium. Na przykład upewnia się, że poznaje preferencje każdego ucznia dotyczące stylu komunikacji, ponieważ traktowanie wszystkich sprawiedliwie nie jest tym samym, co traktowanie wszystkich tak samo. Spotkania jeden na jednego rozpoczynają się od kilku minut rozmowy na tematy ogólne, aby Prather mógł przeanalizować stany umysłu uczniów i upewnić się, że wszystko z nimi w porządku. Wyznacza jasne standardy, chcąc uniknąć niepewności co do oczekiwań, która jest powszechna w laboratoriach akademickich. A kiedy uczniowie zgłaszają obawy, ważne jest, aby udokumentować i potwierdzić, że zostali wysłuchani, mówi.
Najskuteczniejsi liderzy modelują zachowania, które chcą widzieć u innych. Prather, która w 2017 roku otrzymała nagrodę im. Martina Luthera Kinga w MIT, oczekuje od swoich absolwentów i doktorantów zaangażowania i wysokich wyników, ale nie kosztem ich zdrowia fizycznego lub psychicznego. Odradza pracę w weekendy – w stopniu, w jakim jest to możliwe w biologii – i nalega, aby członkowie laboratorium brali wakacje. I od początku udowadniała, że można jednocześnie uprawiać naukę na najwyższym poziomie i mieć życie osobiste.
Prather kontaktuje się ze studentem inżynierii chemicznej K'yalem Bannisterem, który opracowuje ścieżki dla projektu produkcji odnawialnych monomerów.
SASHA ISRAELObie córki Prathera były dziećmi kampusu. Miała 31 lat, dwumiesięczne dziecko, kiedy rozpoczęła studia na wydziale i miała karmić córkę w swoim gabinecie, zanim zostawiła ją w nowej placówce dla niemowląt Instytutu. Później ustawiła przy biurku mały stolik i krzesła jako miejsce do zabawy. Dzieci towarzyszyły jej w podróżach służbowych — Prather i jej mąż na zmianę obserwowali ich, gdy byli mali — i często uczęszczają na wieczorne i weekendowe imprezy matki. Prather wspomina, jak przyjechał na prezentację pod numerem 32-123 z obydwoma dziećmi i ustawił je z przekąskami w pierwszym rzędzie. Moja córka natychmiast upuściła sos marinara, aby położyć na podłodze jej paluszki mozzarelli, mówi. Byłem na rękach i kolanach wycierając czerwony sos 15 minut przed wygłoszeniem przemówienia.
Prather wyznacza granice. Odrzuca prawie każde zaproszenie na piątkowe wieczory, czyli czas rodzinny. Podróże są ograniczone do dwóch w miesiącu i nie będzie podróżować w urodziny żadnego członka rodziny ani w jej rocznicę. Ale wita też uczniów w swoim domu, gdzie organizuje grille i kolacje z okazji Święta Dziękczynienia dla każdego, kto nie ma dokąd pójść. Wnoszę je do mojego domu i do mojego życia, mówi.
Kiedy Salomon był uczniem Prathera, gościła nawet jego rodziców. Ta gościnność była kontynuowana po ukończeniu studiów, kiedy on i jego matka wpadli na swojego byłego profesora na konferencji w Niemczech. Ona łaskawie zajęła moją mamę, ponieważ wiedziała, że nawiązuję współpracę, aby rozwinąć moją karierę, mówi Solomon.
Był to czyn zgodny z priorytetami Prathera. Poza innowacjami, poza odkryciami, jej nadrzędnym celem jest tworzenie niezależnych, odnoszących sukcesy naukowców. Najważniejszą rzeczą, jaką robimy jako naukowcy, jest szkolenie studentów i doktorów – mówi. Jeśli twoi uczniowie są dobrze wyszkoleni i gotowi do pogłębiania wiedzy – nawet jeśli to, nad czym pracujemy, nie prowadzi donikąd – dla mnie jest to wygrana.
O byciu Czarnym na MIT
Dawać świadectwo rasizmowi
Jako studentka MIT Kristala Jones Prather ’94 nigdy nie była celem rasistowskiego zachowania. Ale mówi, że inni czarnoskórzy uczniowie nie mieli tyle szczęścia. Mówi, że chociaż nikt nie wyzwał jej bezpośrednio na pojedynek, na kampusie panowała ogólna atmosfera, która kwestionowała zasadność mojego istnienia. Artykuły w The Tech twierdziły, że akcja afirmatywna osłabia jakość puli studentów.
W młodszym roku grupa stojąca na dachu bractwa rzucała rasistowskimi obelgami na czarnych studentów wracających do swojego akademika. W odpowiedzi Prather i inny student współpracowali z Clarence'em G. Williamsem, HM '09, specjalnym asystentem prezydenta, aby wyprodukować film dokumentalny zatytułowany To intuicyjnie oczywiste o doświadczeniach czarnych studentów na MIT.
Byłem zaangażowany w wiele działań, aby stworzyć klimat, w którym studenci nie muszą być poddawani przekonaniu, że MIT prowadzi działalność charytatywną, mówi Prather. Była to raczej okazja dla studentów, którzy wykazali się zdolnością do dumnego reprezentowania instytucji.
Decyzja Prather o powrocie do MIT jako członka wydziału była trudna, po części dlatego, że jej byli czarnoskórzy koledzy z klasy, z których wielu doświadczyło jawnego rasizmu, zniechęcali własne dzieci do uczęszczania na zajęcia. Martwiła się też, że tym razem nie będzie w stanie uniknąć osobistych ataków. Nie chciałam, żeby zrujnowały wszystkie pozytywne uczucia, jakie miałam w związku z MIT, mówi.
Obawy te okazały się bezpodstawne. Prather mówi, że otrzymała ogromne wsparcie od kierownika działu i współpracowników, a także liczne możliwości przywódcze. Ale zdaje sobie sprawę, że nie wszyscy jej rówieśnicy mogą powiedzieć to samo. Z ostrożnym optymizmem patrzy na obecną inicjatywę Instytutu na rzecz różnorodności. Robimy postępy, mówi. Czekam, aby zobaczyć, czy istnieje prawdziwe zaangażowanie w tworzenie środowiska, w którym studenci koloru mogą czuć się, jakby Instytut był dla nich domem.