Frances Arnold gik sine egne veje for at revolutionere kemien med en idé, der kan give os renere marker og grønnere flyrejser. Videnskab.dk mødte stjerneforskeren i København.
\ Automatisk oplæsning
Hvad har en puddelhund og en majskolbe til fælles?
De er begge unaturlige udgaver af naturen, fremavlet og forædlet af mennesker.
Pudlen nedstammer fra ulven, men har ved menneskets indblanding udviklet sin krøllede, ikke-fældende pels og andre meget lidt ulveagtige træk over hundredvis af år.
Majskolben, der i dag er en af verdens absolut vigtigste afgrøder, var indtil for cirka 10.000 år siden en busket græsart uden ret meget næring. Gennem forædling har den slanke plante forandret sig til den moderne kulhydratbombe, vi kender i dag.
Både pudlen og majskolben har også inspireret en af verdens fremmeste forskere til at revolutionere kemien.
Hun hedder Frances Arnold, er professor og kemingeniør ved Caltech University i USA og modtager af Nobelprisen i kemi 2018.
Prisen fik hun for sit banebrydende arbejde med konceptet ‘styret evolution’, der kort fortalt går ud på at manipulere mikroskopiske molekyler i laboratoriet, så de ligesom pudlen og majskolben udvikler unaturlige egenskaber.
Videnskab.dk har mødt Frances Arnold, der for nylig gæstede Videnskabernes Selskab i København.
Det blev til en samtale om at gå egne veje i videnskaben og styre evolutionen i et reagensglas.
Først skal vi tilbage til pudlen.
»Naturen ville aldrig af egen kræft skabe en puddelhund,« siger Frances Arnold til Videnskab.dk.
Hendes stofområde er dog ikke pelsede hunde, men små biokemiske byggesten i form af enzymer.
Enzymer er proteiner, der findes i alle levende organismer og fungerer som flittige arbejdere, der igangsætter kemiske reaktioner og får dem til at ske meget hurtigere, end de ellers ville.
Det er enzymer, der nedbryder vores mad og omdanner den til livsvigtig næring, og det er enzymer, der hjælper træer til at vokse gennem fotosyntese.
Frances Hamilton Arnold, 69 år
Professor i kemiteknologi, bioteknologi og biokemi ved Caltech University i USA.
Modtog i 2018 Nobelprisen i kemi for sit store bidrag til udviklingen af konceptet ‘styret evolution’. Hun delte prisen med Sir Gregory P. Winter og George P. Smith, der blev anerkendt for deres forskning i bakteriofager; virus, der inficerer bakterier.
Frances Arnold var den første amerikanske kvinde til at vinde Nobelprisen i kemi og én af kun otte kvinder i historien, der har høstet den store hæder.
Bestyrelsesmedlem i blandt andet Alphabet Inc., moderselskabet bag Google.
Grundlægger af tre virksomheder og indehaver af over 60 patenter.
På den måde har enzymer en helt afgørende betydning for os alle. Samtidig er naturlige enzymer et resultat af evolution, hvor livet hele tiden tilpasser og udvikler sig.
Det er den proces, Frances Arnold efterligner og styrer i laboratoriet.
»På den måde minder pudlen om mine enzymer. Jeg videreudvikler naturen, og får enzymerne til at gøre nyttige ting, de ellers ikke ville gøre.«
»Naturen er den dygtigste kemiker, der findes, og en fuldstændig fænomenal ingeniør, så hvorfor ikke lade sig inspirere?« siger den amerikanske professor.
Med ‘styret evolution’ kan forskere som Frances Arnold nemlig gøre det samme som naturen, bare langt hurtigere:
»Jeg kan få enzymerne til at gøre ting, de aldrig ville gøre i naturen, og som kan hjælpe os med at løse et hav af opgaver – som at nedbryde farlige kemikalier eller omdanne landbrugsaffald til grønt flybrændstof.«
Og det lyder jo godt.
Men teorien om 'styret evolution' blev ikke ligefrem mødt med begejstring, da Frances Arnold præsenterede den for over 30 år siden.
Frances Arnold har aldrig været bange for at gå egne veje.
I high school - svarende til gymnasiet i Danmark - pjækkede hun jævnligt fra undervisningen for i stedet at blaffe til Washington D.C. og demonstrere mod Vietnam-krigen.
Hun flyttede hjemmefra allerede som 15-årig og arbejdede blandt andet som servitrice på en jazzklub og som taxachauffør i storbyen Pittsburgh.
Som ung forskerspirer på Princeton University slog hun ind på solenergi, et på det tidspunkt nærmest ukendt forskningsfelt.
»Det var dengang, at USA under præsident Jimmy Carter havde et officielt mål om 20 procent vedvarende energi i 2020; tænk, hvad det kunne det være blevet til,« siger Frances Arnold med en let hovedrysten.
»Men så kom Ronald Reagan i 1981, og støtten til forskning i grøn energi forsvandt.«
Arnold søgte i stedet mod Berkeley University, hvor hun blev kemiingeniør og »faldt pladask for enzymer,« som hun siger.
Hendes fokus var stadig på bæredygtighed og grønne løsninger.
»Jeg blev kemiingeniør på et tidspunkt, hvor de fleste kemiingeniører arbejdede for de store olie- og gasvirksomheder. Det var ikke det, jeg ville. Jeg ville være ingeniør i den biologiske verden.«
Og det blev hun.
I dag er Frances Arnold berømt for sine laboratorieskabte enzymer, der bruges i en lang række industrier verden rundt.
Fælles for dem er, at de er langt renere end mange af de kemikalier, der ofte også indgår i produktionen.
Mange af dem udvindes i dag fra råolie, ligesom der ofte bruges tungmetaller og andre miljøskadelige stoffer i produktionen.
Enzymerne genererer derimod ikke giftigt affald, og er biologisk nedbrydelige.
I dag bruges laboratorieskabte enzymer i vaskemiddel til effektivt at fjerne indtørrede pletter af tomatsovs og chokolade.
»Ingen naturlige enzymer med respekt for sig selv har lyst til at arbejde i din eller min vaskemaskine, så de må fremstilles i laboratoriet,« som Frances Arnold siger det.
De unaturlige enzymer er effektive ved lave temperaturer, og det sænker vaskemaskinens energiforbrug. Samtidig indeholder vaskemidlet færre eller ingen kemikalier.
Et andet eksempel er enzymer, der producerer kunstige udgaver af de kemiske signalstoffer som særligt huninsekter udsender for at tiltrække hanner - såkaldte sexferomoner.
Feromonerne kan bruges som erstatning for giftige pesticider i landbruget.
»Det er ligesom at sprøjte Chanel No. 5 (ikonisk parfume til kvinder, red.) ud over hele marken; det forvirrer hannerne, så de ikke kan finde hunnerne, fordi de tror, de er alle vegne,« siger Frances Arnold.
Resultatet er langt færre parringer og dermed færre larver, som ellers ville æde afgrøderne.
»Der er intet giftigt ved det. Du dræber ingenting, men forvirrer bare insekterne.«
Grønt brændstof
Frances Arnold er også medstifter af virksomheden Gevo, der laver landbrugsaffald om til biobrændsel målrettet både fly og biler. Gevo har i dag blandt andet samarbejdsaftaler med store amerikanske flyselskaber som Delta og United Airlines.
Hormonforstyrrende stoffer
Et af de seneste gennembrud fra Frances Arnolds laboratorium på California Institute of Technology er udviklingen af et enzym, der er i stand til at opløse det hormonforstyrende og meget svært nedbrydelige stof siloxan, der findes i kosmetik.
Ved hjælp af 'styret evolution' arbejder andre forskere på at udvikle enzymer, der kan nedbryde evighedskemikalier som PFAS.
I 1986 gjorde Frances Arnold sit indtog på den store videnskabelige scene.
Blandt biologer og kemikere var en regulær DNA-revolution i gang. Forskere var begyndt at kopiere og omforme DNA, og eksperimenterede på livet løs med gensplejsede planter og medicin.
Det var her Frances Arnold trådte ind på scenen med sin idé om ‘styret evolution’.
»Hvad nu hvis vi kunne bruge biologi til at lave kemi? Kemikerne sagde, at der ikke er noget enzym, der kan gøre det og det, men jeg sagde: Lad os lave det, lad os prøve!«
»Biokemikerne var forfærdede,« siger Frances Arnold.
Ideen og Frances Arnold blev angrebet for at være uvidenskabelig.
»De sagde, at man ikke kan arbejde videnskabeligt baseret på tilfældige mutationer som i naturen. Men jeg blev ved, og jeg opdagede, at det fungerede rigtig godt – ligesom det gør i naturen.«
Det store gennembrud kom med et studie i 1993.
Her præsenterede Frances Arnold og en kollega skabelsen af et enzym, der var i stand til at overleve i et kraftigt opløsningsmiddel, der ellers ville tage livet af de fleste andre enzymer.
Studiet beskriver, hvordan forskerne indsatte gener fra det naturligt forekommende enzym - kaldet subtilisin - i en bakterie og lod generne mutere igen og igen.
De mange mutant-enzymer blev siden screenet for egenskaber, der gør enzymet modstandsdygtigt over for opløsningsmiddel, og de bedste gener blev valgt ud og fik lov til at mutere på ny.
Efter fire runder med mutationer stod forskerne tilbage med en kunstig udgave af subtilisin, der boltrede sig i opløsningsmiddel.
Det banebrydende studie satte for alvor ‘styret evolution’ på landkortet og viste omverdenen, at metoden gør det muligt at skabe nye, målrettede enzymer hurtigt og effektivt.
Den danske forsker Jens Nielsen, der er adjungeret professor i bioteknologi på DTU, mener ikke, at opdagelsen kan undervurderes:
»For folk, der ikke beskæftiger sig med kemi og bioteknologi, kan det være svært helt at forstå vigtigheden af Frances Arnolds arbejde, men den er kæmpestor.«
»Hendes metode bruges i tusindvis af laboratorier og virksomheder hver eneste dag, og er ligesom guldstandarden for hele feltet,« siger han til Videnskab.dk.
Mens Frances Arnold revolutionerede biokemien i starten af 1990’erne, er et nyt kvantespring nu på vej.
Kunstig intelligens har også taget biokemien og enzymfremstilling med storm.
»AI kan på ingen tid analysere millioner og atter millioner af enzymer og finde dem med de allermest lovende egenskaber,« siger Frances Arnold.
I dag består halvdelen af hendes laboratorium af eksperter i kunstig intelligens, fortæller hun.
Udviklingen har enorme perspektiver.
»Med kunstig intelligens kan vi finde det perfekte startpunkt, altså ét ud af millioner af enzymer i naturen, der kan tilpas meget af lige præcis det, vi efterspørger. Derfra kan vi forbedre det med ‘styret evolution’,« siger professoren.
»Jeg tror, at det hele er så automatiseret om fem til ti år, at vi kan trykke på en knap og skabe netop det enzym, vi ønsker os.«
Men det bliver formentlig ikke Frances Arnold, der trykker på knappen.
Hun er i dag 69 år og har ikke længere travlt med at komme først.
»På det her tidspunkt af min karriere er jeg især optaget af at hjælpe og inspirere de mange dygtige unge forskere på feltet. Det er dem, der skal udvikle fremtidens løsninger,« siger hun.
Hun er optimistisk af samme årsag.
»Målet med ‘styret evolution’ har altid været at udvikle enzymer, der inspireret af naturen kan hjælpe os med at fremstille de produkter, vi har brug for, på en ren og bæredygtig måde.«
»Vi er ikke i mål endnu. Olie og gas og forurenende kemi er stadig et billigere alternativ i mange tilfælde, men feltet udvikler sig konstant, og der er så mange spændende ting på vej. Det giver mig håb for fremtiden.«
