211service.com
At bygge en bedre kemisk fabrik - ud af mikrober
Sasha Israel
Metaboliske ingeniører har et problem: celler er egoistiske. Forskerne ønsker at bruge mikrober til at fremstille kemiske forbindelser til industrielle anvendelser. Mikroberne foretrækker at koncentrere sig om deres egen vækst.
Kristala L. Jones Prather '94 har udtænkt et værktøj, der opfylder begge modstridende mål. Hendes metabolitventil fungerer som en togkontakt: den registrerer, når en cellekultur har reproduceret sig nok til at opretholde sig selv, og omdirigerer derefter metabolisk flux - bevægelsen af molekyler i en vej - ned ad sporet, der syntetiserer den ønskede forbindelse. Resultaterne: større udbytte af produktet og tilstrækkelig cellevækst til at holde kulturen sund og produktiv.
William E. Bentley, professor i bioteknik ved University of Maryland, har fulgt Prathers arbejde i mere end to årtier. Han kalder ventilerne for et nyt princip inden for teknik, som han forventer vil blive værdsat højt i forskningsmiljøet. Deres evne til at eliminere flaskehalse kan vise sig at være så afgørende for dem, der forsøger at syntetisere et bestemt molekyle i nyttige mængder, at det i mange tilfælde kan afgøre, om det er en succesfuld bestræbelse eller ej, siger Bentley.
Prather, MITs Arthur D. Lille professor i kemiteknik, arbejder i de krydsende områder inden for syntetisk biologi og metabolisk ingeniørvidenskab: et sted, hvor videnskab, snarere end kunst, efterligner livet. Ventilerne spiller en stor rolle i hendes større mål om at programmere mikrober - primært E coli —at producere kemikalier, der kan bruges inden for en lang række områder, herunder energi og medicin. Det gør hun ved at observere, hvad naturen kan. Så opstiller hun en hypotese om, hvad det skal kunne med en assist fra strategisk indsat DNA.
Vi øger den syntetiske kapacitet af biologiske systemer, siger Prather, der lavede MIT Technology Review's TR35-liste i 2007. Vi er nødt til at skubbe ud over, hvad biologien naturligt kan gøre, og begynde at få den til at lave forbindelser, som den normalt ikke laver.
Prather beskriver sit arbejde som at skabe en ny slags kemisk fabrik inde i mikrobielle celler - en, der laver ultrarene forbindelser effektivt i skala. At lokke mikrober til at producere ønskede forbindelser er sikrere og mere miljøvenligt end at stole på traditionel kemisk syntese, som typisk involverer høje temperaturer, høje tryk og kompliceret instrumentering - og ofte giftige biprodukter. Hun opstod ikke ideen om at omdanne mikrober til kemiske fabrikker, men hendes laboratorium er kendt for at udvikle værktøjer og finjustere processer, der gør det effektivt og praktisk.
Det er den tilgang, hun har taget med glucarsyre, som har flere kommercielle anvendelser, nogle af dem grønne. Vandbehandlingsanlæg har for eksempel længe været afhængige af fosfater for at forhindre korrosion i rør og binde med metaller som bly og kobber, så de ikke udvaskes i vandforsyningen. Men fosfater fodrer også algeopblomstring i søer og have. Glukarsyre gør det samme arbejde som fosfater uden at fodre de giftige blomster.
SASHA ISRAELAt producere glucarsyre på den sædvanlige måde - gennem kemisk oxidation af glucose - er dyrt, giver ofte et produkt, der ikke er særlig rent, og skaber en masse farligt affald. Prathers mikrobielle fabrikker producerer det med høje niveauer af renhed og uden de giftige biprodukter til en rimelig pris. Hun var med til at stifte startup'et Kalion i 2011 for at omsætte sin mikrobielle fabrikstilgang i praksis. (Prather er Kalions chief science officer. Hendes mand, Darcy Prather '91, er dens præsident.)
Virksomheden, der står for storproduktion i Slovakiet, har flere potentielle kunder. Selvom de største af disse er inden for olieservice, viser det sig også, på den vidunderlige, skøre måde, kemi fungerer på, at den samme forbindelse bruges i farmaceutisk fremstilling, siger Prather. Det er for eksempel påkrævet i produktionen af ADHD-lægemidlet Adderall. Og det kan bruges til at gøre tekstiler stærkere, hvilket kan føre til mere effektiv genanvendelse af bomuld og andre naturlige materialer.
Kalions første mål er fosfater på grund af deres umiddelbare kommercielle anvendelser. Men i sin bredere forskning har Prather også trukket et stort blik på petroleum. Ivrig efter at producere grønnere alternativer til benzin og plastik bruger hun og hendes forskergruppe ved MIT bakterier til at syntetisere molekyler, der normalt ville være afledt af olie. Overordnet set, hvis vi har succes, siger Prather, er det, vi gør, at flytte tingene en efter en fra hylden for at sige: 'Det er ikke længere lavet af petroleum. Det er nu lavet af biomasse.'
Fra East Texas til MIT
Prather er født i Cincinnati og voksede op i Longview, Texas, på baggrund af oliefeltspumper og boretårne. Hendes far døde, før hun fyldte to. Hendes mor arbejdede på Wylie College, en lille, historisk sort skole - og tog selv en bachelorgrad der i 2004, er Prather hurtig til at tilføje.
Hendes high schools første farvediktorianer, Prather, havde kun vage ideer om akademiske og professionelle muligheder uden for hendes stat. Da universitetsbrochurer oversvømmede familiens postkasse i hendes ungdomsår, søgte hun råd hos en historielærer. Matematik var mit yndlingsfag i gymnasiet, og jeg nød kemi, siger Prather. Læreren fortalte hende, at matematik plus kemi var lig med kemiteknik, og at hvis hun ville være ingeniør, skulle hun gå på MIT. Hvad er MIT? spurgte Prather.
Andre i samfundet var ikke bedre informeret. Det, der dengang var DeVry Institute of Technology, en for-profit-skole med et mindre-end-stjernet akademisk ry og campusser rundt om i landet, reklamerede kraftigt på tv. Da hun fortalte folk, at hun skulle til MIT, antog de, at det var en DeVry-afdeling i Massachusetts. De var skuffede, for de troede, jeg skulle lave store ting, siger Prather. Men her skulle jeg på denne handelsskole for at være blikkenslagerassistent.
I juni 1990 ankom Prather til campus for at deltage i Interphase, et program, der tilbydes gennem MIT's Office of Minority Education. Designet til at lette overgangen for indkommende studerende, Interphase var en game-changer, siger Prather. Programmet introducerede hende til en udholdende gruppe venner og gjorde hende bekendt med campus. Det vigtigste var, at det indgød tillid. Da han kom fra en skole uden AP-klasser, var Prather bekymret for at starte bag ved kurven. Da hun fandt ud af, at hun kendte materialet i sin Interphase matematiktime, kom det som en lettelse. Da jeg kedede mig, tænkte jeg: ’Jeg hører til her’, siger hun.
Som bachelor blev Prather udsat for bioprocesteknik, som bruger levende celler til at inducere ønskede kemiske eller fysiske ændringer i et materiale. På det tidspunkt behandlede videnskabsmænd de celler, hvorfra processen starter, som noget fast. Prather blev fascineret af ideen om, at man kunne konstruere ikke kun processen, men også selve cellens biologi. Den måde, man kunne kopiere og klippe og indsætte DNA på, appellerede til den del af mig, der kunne lide matematik, siger hun.
Prather besluttede et ophold i
erhvervslivet ville mindske risikoen for, at hendes akademiske karriere ville blive overført til irrelevans i den virkelige verden.
Efter sin eksamen i 1994 fik Prather sin ph.d.-grad ved University of California, Berkeley, hvor hendes rådgiver var Jay Keasling, en professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab, som var i spidsen for det nye felt inden for syntetisk biologi. Hos Berkeley søgte Prather måder at flytte DNA ind og ud af celler for at optimere skabelsen af ønskværdige proteiner.
Praksis på det tidspunkt var at samle celler med masser af DNA, som igen ville producere masser af protein, som ville generere masser af den ønskede kemiske forbindelse. Men der var et problem, som Prather – der bor i nærheden af en naturskøn statspark – forklarer med en lokal analogi. Jeg kan tage en let vandretur i Blue Hills Reservation, siger hun, men ikke hvis du lægger en 50-punds pakke på min ryg. På samme måde kan en overbelastet celle nogle gange reagere ved at sige: ’Jeg er for træt.’ Prathers doktorafhandling udforskede systemer, der effektivt producerer en masse af et ønsket kemikalie ved at bruge mindre DNA.
I sit fjerde år på Berkeley modtog Prather et stipendium fra DuPont og rejste til Delaware for sin første præsentation i fuld længde. I overensstemmelse med standard konferencepraksis fremlagde hun for sit publikum de tre motiver, der lå til grund for hendes forskning. Bagefter forklarede en af virksomhedens videnskabsmænd hende høfligt, hvorfor alle tre var vildledt. Han sagde: 'Det, du laver, er interessant og vigtigt, men du motiveres af det, du synes er vigtigt i industrien,' siger Prather. 'Og vi er bare ligeglade med noget af det.'
Ydmyg besluttede Prather, at et ophold i erhvervslivet ville reducere risikoen for, at hendes akademiske karriere ville blive overført til irrelevans i den virkelige verden. Hun tilbragte de næste fire år hos Merck i en gruppe med at udvikle processer til at lave ting som terapeutiske proteiner og vacciner. Der lærte hun om den slags projekter og problemer, der betyder mest for praktikere som hendes DuPont-kritiker.
Merck ansatte horder af kemikere til at producere store mængder kemiske forbindelser til brug i nye lægemidler. Når en del af den proces syntes bedre egnet til biologi end til kemi, ville de aflevere den til den afdeling, Prather arbejdede i, som brugte enzymer til at udføre det næste trin. Det var typisk ikke særlig komplicerede reaktioner, siger Prather. Et enkelt trin, der konverterer A til B.
Prather var fascineret af muligheden for at udføre ikke kun individuelle trin, men hele den kemiske syntese i celler ved hjælp af kæder af reaktioner kaldet metaboliske veje. Det arbejde inspirerede, hvad der ville blive noget af hendes mest roste forskning ved MIT, hvor hun kom til fakultetet i 2004.
At finde produktionsomskifteren
Det var ikke længe efter at have vendt tilbage til MIT, at denne unge kvinde fra Texas-olieområdet tog sigte på fossile brændstoffer og deres biprodukter. Mange af hendes laboratorieprojekter fokuserer på at erstatte petroleum som råmateriale. I det ene – et samarbejde med MIT-kollegerne Brad Olsen ’03, en kemiingeniør, og Desiree Plata, PhD ’09, en civil- og miljøingeniør – bruger Prather biomasse til at skabe vedvarende polymerer, der kan føre til en grønnere form for plastik. Hendes laboratorium er ved at finde ud af, hvordan man får mikrober til at omdanne sukker fra planter til monomerer, der derefter kan omdannes kemisk til polymerer for at skabe plastik. I slutningen af plastikkens brugbare levetid nedbrydes den biologisk og bliver tilbage til næringsstoffer. Disse næringsstoffer vil give dig flere planter, hvorfra du kan udvinde mere sukker, som du kan omdanne til nye kemikalier for at gå til ny plast, siger Prather. Det er livets cirkel der.
I disse dage tiltrækker hun mest opmærksomhed for sin forskning i at optimere metaboliske veje - forskning, som hun og andre forskere derefter kan bruge til at maksimere udbyttet af et ønsket produkt.
Udfordringen er, at celler prioriterer brugen af næringsstoffer, såsom glucose, til at vokse frem for at fremstille disse ønskværdige forbindelser. Mere vækst for cellen betyder mindre produkt for videnskabsmanden. Så man løber ind i et konkurrenceproblem, siger Prather.
Tag glukarsyre, kemikaliet produceret af Prathers firma - og et, som Keasling siger er ekstremt vigtigt for industrien. (Disse molekyler er ikke trivielle at producere, især på de niveauer, der er nødvendige industrielt, siger han.) Prather og hendes laboratorium havde tilføjet tre gener – hentet fra mus, gær og en bakterie – til E coli , hvilket gør det muligt for bakterierne at omdanne en type simpelt sukker til glukarsyre. Men bakterierne havde også brug for det sukker til en metabolisk vej, der nedbryder glukose for at brødføde sin egen vækst og reproduktion.
Prathers team ønskede at lukke den vej, der nærer væksten og omdirigere sukkeret til en vej, der producerer glucarinsyre - men først efter at bakteriekulturen var vokset nok til at opretholde sig selv som en produktiv kemisk fabrik. For at gøre det brugte de quorum sensing, en slags kommunikation, hvorigennem bakterier deler information om ændringer i antallet af celler i deres koloni, hvilket giver dem mulighed for at koordinere koloniomfattende funktioner såsom genregulering. Holdet konstruerede hver celle til at producere et protein, der derefter skaber et molekyle kaldet AHL. Når quorum sensing detekterer en vis mængde AHL - den mængde, der produceres i den tid, det tager for kulturen at nå en bæredygtig størrelse - aktiverer den en kontakt, der slukker for produktionen af et enzym, der er en del af glucose-nedbrydningsprocessen. Glukosen skifter til den kemiske syntesevej, hvilket i høj grad øger mængden af produceret glucarsyre.
Prathers kontakter, kaldet metabolitventiler, bruges nu i processer, der udnytter mikrober til at producere en bred vifte af ønskede kemikalier. Ventilerne åbner eller lukker som reaktion på ændringer i tætheden af bestemte molekyler i en vej. Disse switches kan finjusteres for at optimere produktionen uden at kompromittere bakteriernes sundhed, hvilket dramatisk øger outputtet. Forskernes flagskibspapir, som blev offentliggjort i Nature Biology i 2017, er blevet citeret næsten 200 gange. Målet på dette tidspunkt er at øge skalaen.
Ligesom mange af de mekanismer, Prather bruger i sin forskning, eksisterer sådanne switches allerede i biologien. Celler, hvis ressourcer er truet af tilstødende fremmede celler, vil skifte fra væksttilstand til at producere antibiotika for for eksempel at dræbe deres konkurrenter. Celler, der laver ting som antibiotika, har en naturlig måde først at gøre mere ud af sig selv for derefter at bruge deres ressourcer på at lave produkter, siger hun. Vi udviklede en syntetisk måde at efterligne naturen på.
Prathers Berkeley-rådgiver, Keasling, har brugt et derivat af switchen inspireret af hendes forskning. Værktøjet til at kanalisere metabolisk flux - strømmen af materiale gennem en metabolisk vej - er supervigtigt arbejde, som jeg tror vil blive meget brugt i fremtiden af metaboliske ingeniører, siger han. Når Kristala udgiver noget, ved du, at det kommer til at virke.
Vejledning af unge forskere
Prather får mindst lige så meget anerkendelse for undervisning og mentorordninger som for sin forskning. Hun går meget op i uddannelse og er investeret i sine elever på en måde, der virkelig skiller sig ud, siger Keasling. Eleverne beskriver hendes optimisme og støttende, og siger, at hun motiverer uden at kommandere. Hun skabte et miljø, hvor jeg var fri til at begå mine egne fejl og lære og vokse, siger Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, som studerede hos Prather mellem 2007 og 2012 og nu er adjunkt i kemisk og biomedicinsk ingeniør ved University of Delaware. I nogle andre laboratorier, bemærker han, har du hårde deadlines, og du optræder, eller du flipper ud.
Det var hos Merck, at Prather indså, hvor meget hun elsker at arbejde med unge videnskabsmænd - og det var også her, hun samlede det ledelsesarsenal, hun bruger til at drive sit laboratorium. Så hun sørger for eksempel for at lære den enkelte elevs præferencer omkring kommunikationsstil at kende, for at behandle alle retfærdigt er ikke det samme som at behandle alle ens, siger hun. En-til-en-møder begynder med et par minutters chat om generelle emner, så Prather kan uddybe elevernes sindstilstande og sikre sig, at de er okay. Hun sætter klare standarder, opsat på at undgå den usikkerhed om forventninger, der er almindelig i akademiske laboratorier. Og når eleverne alligevel rejser bekymringer, er det vigtigt at dokumentere og bekræfte, at de er blevet hørt, siger hun.
De mest effektive ledere modellerer den adfærd, de ønsker at se hos andre. Prather, som modtog MITs Martin Luther King Leadership Award i 2017, forventer engagement og høj ydeevne fra sine kandidatstuderende og postdocs, men ikke på bekostning af deres fysiske eller mentale sundhed. Hun fraråder at arbejde i weekenden - i det omfang det er muligt i biologi - og insisterer på, at laboratoriemedlemmer holder ferie. Og fra begyndelsen har hun demonstreret, at det er muligt på én gang at lave førsteklasses naturvidenskab og have et personligt liv.
Prather tjekker ind hos kemiingeniørstuderende K'yal Bannister, som designer veje til projektet for at producere vedvarende monomerer.
SASHA ISRAELPrathers to døtre var begge campusbørn. Hun var 31, med en to måneder gammel baby, da hun kom til fakultetet, og hun ville amme sin datter på sit kontor, før hun efterlod hende på Instituttets nye spædbørnsplejefacilitet. Senere stillede hun et lille bord og stole op i nærheden af sit skrivebord som et legeområde. Børnene har fulgt hende på arbejdsrejser – Prather og hendes mand skiftedes til at se dem, da de var små – og deltager ofte i deres mors aften- og weekendarrangementer. Prather husker, at han mødte op til en præsentation i 32-123 med begge børn på slæb og stillede dem op med snacks på forreste række. Min datter tabte prompte marinarasaucen, så hun kunne gå med hendes mozzarellastænger på gulvet, siger hun. Jeg var på mine hænder og knæ og tørrede rød sauce op 15 minutter før jeg holdt en tale.
Prather sætter grænser. Hun takker nej til næsten hver eneste invitation til fredag aften, som er familietid. Rejser er begrænset til to om måneden, og hun rejser ikke på et familiemedlems fødselsdag eller på hendes jubilæum. Men hun byder også studerende velkommen i sit hjem, hvor hun er vært for grillfester og Thanksgiving-middage for alle, der ikke har et sted at tage hen. Jeg bringer dem ind i mit hjem og ind i mit liv, siger hun.
Da Solomon var Prathers elev, var hun endda vært for hans forældre. Den gæstfrihed fortsatte efter at han var færdig, da han og hans mor stødte på hans tidligere professor ved en konference i Tyskland. Hun holdt elskværdigt min mor beskæftiget, fordi hun vidste, at jeg netværkede for at fremme min karriere, siger Solomon.
Det var en handling i overensstemmelse med Prathers prioriteter. Ud over innovationerne, ud over opdagelserne, er hendes overordnede mål at skabe uafhængige succesfulde videnskabsmænd. Det vigtigste, vi gør som forskere, er at uddanne studerende og postdocs, siger hun. Hvis dine elever er veluddannede og klar til at fremme viden – selvom det, vi arbejder på, ikke går nogen vegne – er det for mig en gevinst.
Om at være sort på MIT
At vidne om racisme
Som studerende på MIT var Kristala Jones Prather ’94 aldrig målet for racistisk adfærd. Men hun siger, at andre sorte elever ikke var så heldige. Selvom ingen udfordrede hende direkte, var der en generel atmosfære på campus, der satte spørgsmålstegn ved gyldigheden af min eksistens, siger hun. Artikler i The Tech hævdede, at positiv særbehandling udvandede kvaliteten af elevpuljen.
I løbet af hendes ungdomsår slyngede en gruppe, der stod på taget af en broder, racereklamer mod sorte studerende, der gik tilbage til deres sovesal. Som svar samarbejdede Prather og en anden studerende med Clarence G. Williams, HM ’09, særlig assistent for præsidenten, for at producere en dokumentarfilm kaldet Det er intuitivt indlysende om oplevelsen af sorte studerende ved MIT.
Jeg var involveret i en masse aktivisme for at skabe et klima, hvor studerende ikke behøvede at blive udsat for forestillingen om, at MIT gjorde velgørenhed, siger Prather. Det gav snarere en mulighed for studerende, der havde demonstreret deres evne til at repræsentere institutionen med stolthed.
Prathers beslutning om at vende tilbage til MIT som fakultetsmedlem var vanskelig, til dels fordi hendes sorte tidligere klassekammerater, hvoraf mange havde oplevet åbenlys racisme, afskrækkede deres egne børn fra at deltage. Hun var også bekymret for, at hun ikke ville være i stand til at undgå personlige angreb denne gang. Jeg ville ikke have, at alle de positive følelser, jeg havde om MIT, skulle blive ødelagt, siger hun.
Den frygt viste sig at være ubegrundet. Prather siger, at hun har modtaget enorm støtte fra sin afdelingsleder og kolleger, samt rigelige ledermuligheder. Men hun erkender, at ikke alle hendes jævnaldrende kan sige det samme. Hun er forsigtigt optimistisk omkring instituttets nuværende mangfoldighedsinitiativ. Vi gør fremskridt, siger hun. Jeg venter på at se, om der er en reel forpligtelse til at skabe et miljø, hvor farvede studerende kan føle, at instituttet er et hjem for dem.