dem_2011

Category:

Женщина, которая со всем не согласна: лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Арнольд

Профессор  Калифорнийского технологического института, биоинженер и биохимик  Фрэнсис Арнольд стала одной из немногих женщин-лауреатов Нобелевской  премии. Почему так важны ее научные открытия?

Дарья Шипачева, 22 июня 2020

Профессор  Калифорнийского технологического института, биоинженер и биохимик  Фрэнсис Арнольд
Профессор Калифорнийского технологического института, биоинженер и биохимик Фрэнсис Арнольд

За  последние 100 с лишним лет Нобелевскую премию по химии получили 177  человек. До 2018 года женщин среди них было всего четыре: знаменитая  исследовательница радиоактивных элементов Мария Склодовская-Кюри, ее  дочь Ирэн Жолио-Кюри, которая синтезировала новые радиоактивные  вещества, Дороти Ходжкин — ее номинировали за применение рентгена в  биохимии — и Ада Йонат — за изучение клеточной структуры рибосомы. В  2018 году к ним присоединилась пятый лауреат Нобелевской премии по  химии: Фрэнсис Арнольд вручили самую престижную научную награду «За  направленную эволюцию ферментов». Химия наряду с физикой и экономикой —  это те науки, в которых женщины реже всего получают Нобелевку. Как  профессор Арнольд добилась этого почетного титула в сексистском научном  мире — и что нам всем стоит узнать про ее изобретения и работу в  академии? 

Как девочка, которая со всеми не согласна, выросла в великого ученого

В  главной научной работе своей жизни Фрэнсис Арнольд вдохновлялась  заводчиками кошек и собак. Но начиналось все совсем не с животного мира —  и даже не с мира живых организмов. В 1979 году 23-летняя Фрэнсис  получила степень бакалавра Принстонского университета в области  механической и аэрокосмической инженерии. Молодой ученый тогда  занималась исследованием различных источников энергии. В процессе своего  обучения она даже взяла академический отпуск на год, чтобы отправиться в  Италию: там она работала на фабрике, производящей компоненты для  ядерного реактора. Вернувшись домой, она продолжила учебу в школе  энергетики и экологических исследований Принстона, где группа ученых и  инженеров работала над созданием альтернативных источников энергии, — и в  итоге защитила диплом на тему солнечной энергии.

После  университета Арнольд какое-то время была инженером: она поработала в  Бразилии, в Южной Корее и в американской Национальной лаборатории по  изучению возобновляемой энергии в Колорадо — та тогда занималась именно  солнечной энергией. В то время, когда Фрэнсис Арнольд трудилась в  лаборатории, она помогла спроектировать оборудование для солнечной  энергетики, которое можно размещать даже в удаленных уголках планеты.  Так на нее обратила внимание ООН: организация пригласила Арнольд помочь в  написании установочных документов по вопросам возобновляемой энергии.

После  этого карьера Фрэнсис Арнольд совершила резкий поворот. Она поступила  на программу PhD в Калифорнийский Университет в Беркли и на этот раз  решила изучать химию. Точнее, все началось с химической инженерии,  области на стыке физики и химии, которая в чем-то перекликалась с  прошлым образованием и опытом Арнольд. Но в конечном итоге она увлеклась  биохимией и биоинженерией — и ушла далеко от ядерных реакторов и  солнечных панелей.

Фрэнсис  Арнольд кажется жутким гиком и типичной «отличницей». Разве не такая  женщина — упорная, дотошная, прилежная и вдумчивая — могла пробиться к  Нобелевской премии в научном мире, который захвачен мужчинами? А вот и  нет. Арнольд никогда не была типичной «лабораторной занудой».

«Всю жизнь я делала так: брала то, как люди думают, и переворачивала это с ног на голову», — признается  Фрэнсис. Нонконформизм — это то, что определяло ее как личность с  самого детства. Например, в раннем подростковом возрасте девушка  добралась автостопом из своего родного города в Вашингтон, чтобы  поучаствовать в протестах против войны во Вьетнаме. Естественно,  разрешения родителей она не спросила. В старшей школе она прогуливала  уроки, а по ночам работала официанткой — разносила посетителям бара в  центре Питтсбурга коктейли. Благодаря этому она уже в 17 лет съехала от  родителей и четырех братьев в отдельную квартиру.

Перед  тем, как начать учиться в Принстоне, Арнольд подрабатывала таксисткой. А  во время учебы в университете путешествовала не только в научных целях,  как в случае с заводом в Италии: она в одиночку объездила многие страны  Европы и Южной Америки. Фрэнсис Арнольд не «типичный ботан», а  авантюристка, креативно одаренный ученый, которая могла изучать  одновременно инженерные науки, химию, русский язык и экономику и делать  все это хорошо. «Стоило поговорить с ней 10 минут, и вы понимали, что не  встречали подобного человека еще никогда в своей жизни», — вспоминает  ее бывшая соседка Стейси Иверс, которая узнала Арнольд еще школьницей,  поселившейся в их доме.

Что такое направленная эволюция и почему это интересно

После  получения Нобелевской премии в 2018 году Фрэнсис Арнольд больше не была  такой свободной, как в юности. Когда журналист газеты из ее родного  Питтсбурга Pittsburgh Post-Gazette Гэри Родштейн попросил показать ему  как-нибудь, как выглядит типичный день у нее на кампусе, ученая  ответила: «Я не уверена, что у меня в ближайшее время — или когда-нибудь  — теперь будет «типичный день». Российскому Forbes Woman она тоже  отказала в комментариях, извинившись и сославшись на большую занятость:  Арнольд сказала, что сейчас вообще не дает никому интервью. Чем же она  так занята?

Вернемся  к кошкам и собакам. Как появляются современные популярные породы  животных, например, шотландская вислоухая кошка? Первая такая кошка,  Сьюзи, как гласит легенда, родилась на ферме в Шотландии. Характерные  загнутые уши стали следствием случайной генной мутации. Но современные  шотландцы вовсе не прапраправнуки Сьюзи, а результат кропотливой работы  заводчиков-селекционеров: они в течение примерно 15 лет изучали гены  близких пород и старались повторить пути натуральной эволюции. Так в  лаборатории родились скоттиш-фолды: они не только были внешне похожи на  Сьюзи, но и не имели характерных для естественной мутации в «гене  вислоухости» побочных эффектов — проблем с размножением и  опорно-двигательным аппаратом.

На  наноуровне, то есть на уровне молекул в человеческом организме, все  работает похожим образом. Можно годами ждать, когда «случайно»  синтезируется какой-то новый фермент — белок, который как-то интересно  повлияет на происходящие в нашем теле процессы. А можно, как это делают  заводчики породистых кошек, взять эволюцию в свои руки и создавать с  помощью тщательной «селекции» протеины с заданными свойствами.

В  этом, конечно, помогает и естественная эволюция. Так как она не имеет  цели, а происходит хаотично, многие молекулы в итоге обладают целым  комплексом функций. Если какие-то из них пригождаются человеку или  другому живому существу — замечательно, значит, такой белок останется в  природе надолго. Но у него может быть немало интересных свойств, которые  при этом никак не реализуются. Фрэнсис Арнольд придумала взять такие  протеины и «подкрутить» эти побочные функции, сделав новые белки с уже  новой функциональностью.

Тут помог  бэкграунд ученой в инженерных науках. Арнольд использовала методы  кристаллографии, чтобы наблюдать за строением протеинов, изучать  структуру молекул — и затем «направлять» мутации в нужные участки белка.  Она также применяла линейную регрессию — математическую модель, которая  позволяла рассчитать, какие именно способы рекомбинации генов помогут  создать наиболее устойчивые новые белки. С помощью машинного обучения  модель удалось научить на небольшой выборке молекул, какие сочетания  генов жизнеспособны и могут нести полезные функции, а какие нет — и это  ускорило процесс «направленной эволюции» в разы по сравнению с селекцией  «вручную».

Вот как это  работает на практике. Все начинается с гена, который кодирует  определенный белок — живой организм, считывая эту последовательность  ДНК, благодаря этой «инструкции» производит протеин. Модифицированный по  методу Фрэнсис Арнольд ген «подсаживают» бактериям, которые начинают  синтезировать энзимы. Самые перспективные отбираются, в них опять  производят определенные изменения, чтобы вызвать направленную мутацию — и  цикл повторяется вновь. В результате такой рукотворной эволюции  рождаются протеины с новыми свойствами.

Благодаря  методикам Арнольд — а первая научная работа, описывающая то, за что она  получила Нобелевскую премию, вышла еще в 1993 году — уже произвели  множество полезных энзимов: они сейчас используются для создания разных  продуктов, от стиральных порошков до биотоплива и лекарств. Больше всего  Фрэнсис гордится разработкой на базе ее метода препарата Янувия  фармацевтического концерна Merck & Co: этот лекарство, которое  помогает диабетикам, раньше производилось с использованием токсичных  металлов. Арнольд рада, что ее открытие помогло уменьшить количество  вредных выбросов и сделать продукт более безопасным.

Наука по-женски

В начале 2020 года твиттер поразило заявление  Фрэнсис Арнольд: 2 января она досрочно вернулась с новогодних каникул и  сообщила, что отзывает опубликованную в мае 2019 года статью в журнале  Science. Исходная работа говорила о том, как можно с помощью  модифицированных энзимов создавать новые бета-лактамные антибиотики, — и  это было важным открытием в условиях растущей  антибиотикорезистентности. Но оказалось, что результаты исследования не  воспроизводимы, к тому же выяснилось, что из лабораторных компьютеров  пропал важный кусок данных.

Это поразительный пример честности в научном мире. В журнале Nature в 2016 году опубликовали шокирующие цифры:  результаты около 70% научных работ, одобренных рецензентами и  напечатанных в качественных научных журналах, другие ученые  воспроизвести не смогли. Это значит, что почти две трети современной  науки находится в «серой зоне»: может, это правда, а может, и нет.  Обычно исследователи не отказываются от результатов собственных работ,  даже если их воспроизводимость вызывает сомнения. Но не бунтарка Фрэнсис  Арнольд. «Больно признавать это, но необходимо. Я извиняюсь перед вами  всеми. Когда наша публикация уходила в печать, я была слишком занята и  не выполнила свою работу достаточно хорошо», — прокомментировала ученая  отзыв своей научной работы в твиттере.

Возможно,  такие женщины, как она, привнесут в этот — все еще мужской — научный  мир новую струю. «В юности мои родители были недовольны моим поведением —  они даже боялись, что я плохо повлияю на своих братьев. Тогда они  сказали: «Или ты ведешь себя как положено, или не сможешь больше жить в  нашем доме». Я ответила «Ок» и съехала», — вспоминает Фрэнсис. 

Она  остается такой же принципиальной и сейчас, в свои 63 года: пробует то,  что другие не рискнули, и не боится признаваться в своих ошибках.  Коллеги, кстати, неожиданно одобрили  ее честность и писали после отзыва публикации поддерживающие сообщения в  твиттере. Возможно, работы Арнольд будут важны миру не только благодаря  созданию новых веществ, но и благодаря тому, что она привлекла внимание  научного мира к простому факту: даже самый гениальный исследователь  может оступиться, но ради общих интересов стоит честно это признать,  отряхнуться и идти дальше. Это может помочь сделать науку более  прозрачной, более смелой и более полезной людям — кажется, такому уроку  «науки по-женски» и учит вся биография Фрэнсис Арнольд.

Источник


Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic

Your reply will be screened

Your IP address will be recorded