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Frances Arnold

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Frances Arnold
Fonction
Membre du conseil d'administration
Alphabet
depuis le
Biographie
Naissance
Nom de naissance
Frances Hamilton Arnold Voir et modifier les données sur Wikidata
Nationalite
Formation
Universite de Princeton (jusqu'en )
Universite de Californie a Berkeley (jusqu'en )
Taylor Allderdice High School ( en ) Voir et modifier les données sur Wikidata
Activites
Pere
William Howard Arnold ( en ) Voir et modifier les données sur Wikidata
Conjoint
Jay Bailey ( en ) (jusqu'en ) Voir et modifier les données sur Wikidata
Parentele
William Howard Arnold ( en ) (grand-pere) Voir et modifier les données sur Wikidata
Autres informations
A travaille pour
Universite de Californie a Berkeley ( - )
National Institute of Solar Energy ( en ) ( - )
California Institute of Technology Voir et modifier les données sur Wikidata
Membre de
Dir. de these
Harvey Warren Blanch ( d ) Voir et modifier les données sur Wikidata
Site web
Distinctions
Prix Nobel de chimie ( ) Voir et modifier les données sur Wikidata
Liste detaillee
Packard Fellowship for Science and Engineering ( d ) ( )
Medaille Garvan-Olin ( )
FASEB Excellence in Science Award ( en ) ( )
Membre de l'Academie americaine des sciences ( )
Membre de l'AAAS ( )
Membre de l'Academie americaine des arts et des sciences ( )
Prix Charles-Stark-Draper ( )
National Medal of Technology and Innovation ( )
National Inventors Hall of Fame ( )
Docteur honoris causa de l'Ecole polytechnique federale de Zurich ( )
Prix Millennium Technology ( )
Raymond and Beverly Sackler Prize in Convergence Research ( )
Society of Women Engineers Achievement Award ( )
100 Women ( )
Prix Nobel de chimie ( )
Medaille Benjamin-Franklin ( )
Bower Award and Prize for Achievement in Science ( )
Membre etranger de la Royal Society ( )
Medaille Perkin ( )
Fellow of the Royal Academy of Engineering
Fellow of the American Institute for Medical and Biological Engineering ( d ) Voir et modifier les données sur Wikidata

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Frances Hamilton Arnold , nee le a Edgewood , est une ingenieure en biochimie . Ses travaux ont ete recompenses par de nombreux prix, dont le prix Draper en 2011, la medaille nationale de la technologie et de l'innovation en 2013 et le prix Nobel de chimie en 2018.

Elle a mis au point des methodes d' evolution dirigee pour creer des systemes biologiques utiles, notamment des enzymes , des voies metaboliques , de nouveaux circuits de regulation de l' expression genetique , voire des organismes. Elle est professeur en genie chimique , en bioingenierie et biochimie au California Institute of Technology , ou elle etudie l'evolution dirigee et ses applications aux domaines de la science , de la medecine , de la chimie et de l' energie .

Elle a obtenu un B.S. en genie mecanique et Ingenierie et technologie spatiale a l’ universite de Princeton en 1979 et un doctorat en genie chimique a l' universite de Californie a Berkeley . Elle y a effectue son travail postdoctoral en chimie et biophysique avant de s’installer dans l'universite privee du Caltech ( California Institute of Technology ) en 1986 .

Enfance, education [ modifier | modifier le code ]

Frances Arnold, nee a Edgewood , aux Etats-Unis, est la fille de William Howard Arnold, qui exercait le metier de physicien nucleaire , et de Josephine Inman Routheau [ 1 ] . Avec ses quatre freres, William Howard III, Edward, David et Thomas, elle aimait etre en competition [ 2 ] .

Elle a grandi dans la banlieue de Pittsburgh , notamment a Edgewood, Shadyside et Squirrel Hill.

Elle a obtenu son diplome de l'ecole secondaire Allderdice en 1974 [ 3 ] .

Encore lyceenne, elle est partie en auto-stop a Washington pour manifester et protester contre la guerre du Vietnam . Elle y a vecu seule avec un emploi de serveuse de cocktails dans un club de jazz local et comme chauffeur de taxi [ 4 ] .

Frances Arnold a etudie le genie mecanique et l'aerospatial a l' universite de Princeton , concluant ce cycle d'etude par un diplome obtenu en 1979 , avant d'obtenir un doctorat en genie chimique de l'universite de Californie a Berkeley en 1985 [ 5 ] . Son travail de these , realise au sein du laboratoire de Harvey Blanch, portait sur les techniques de chromatographie d'affinite [ 6 ] . Apres avoir obtenu son diplome, elle a entame sa vie professionnelle de chercheuse avec des recherches postdoctorales a l'UC Berkeley et au Caltech (≪  Institut de technologie de Californie  ≫) [ 7 ] .

Vie privee [ modifier | modifier le code ]

Frances Arnold vit a La Canada Flintridge ( Californie ). Elle a ete mariee a l'ingenieur biochimiste James E. Bailey avec qui elle a eu un fils, James, et qui est decede d'un cancer en 2001. Elle s'est ensuite remariee avec l'astrophysicien Andrew E. Lange et ils ont eu deux fils, William et Joseph [ 8 ] , [ 9 ] . Son deuxieme epoux se suicide en 2010 et son fils William meurt dans un accident en 2016 [ 10 ] .

Elle a recu un diagnostic de cancer du sein en 2005 et compte parmi les survivantes a ce cancer [ 11 ] .

Elle apparait dans l'episode 18 de la saison 12 de The Big Bang Theory ou elle joue son propre role.

Carriere professionnelle [ modifier | modifier le code ]

En 1996, elle est nommee professeure a Caltech, en 2005, elle cofonde la societe de biocarburants Gevo [ 12 ] , En 2013, elle cofonde la societe Provivi, pour le biocontrole en agriculture [ 12 ] . Elle a ete elue a l' Academie americaine des arts et des sciences en 2011 . Frances Arnold a le rare honneur d'avoir ete elue dans les trois academies nationales des Etats-Unis [ 13 ]  : l'Academie nationale des sciences, l'Academie nationale d'ingenierie et l'Institut de la medecine. Elle est membre de l'Association americaine pour l'avancement des sciences, de l'Academie americaine des arts et des sciences, de l'Academie americaine de microbiologie , de l'Institut americain du genie medical et biologique et d'un membre international de l'Academie royale du genie du Royaume-Uni [ref. necessaire] . En 2016, elle synthetise une enzyme capable de creer une liaison carbone-silicium [ 12 ]

Membre du conseil consultatif du Joint BioEnergy Institute et des bourses Packard en sciences et en ingenierie financees par le DOE , Frances Arnold siege egalement au conseil consultatif du president de l'universite des sciences et technologies King Abdullah (KAUST). Elle est actuellement juge pour le prix Queen Elizabeth Engineering. Elle a travaille avec le Science & Entertainment Exchange de l' Academie americaine des sciences pour aider des scenaristes de Hollywood a decrire avec precision des sujets scientifiques [ 14 ] .

Elle recoit en 2018 le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur l' evolution dirigee des enzymes, prix qu'elle partage avec le Britannique Gregory Winter et l'Americain Georges P. Smith , pour leur travaux sur l'evolution dirigee de peptides et de anticorps via des phages [ 15 ] ' [ 16 ] .

Le , elle est nommee membre de l' academie pontificale des sciences par le pape Francois [ 17 ] .

Recherches [ modifier | modifier le code ]

En 1993, elle fabrique une enzyme ( Subtilisine E) fonctionnelle dans un environnement non naturel [ 12 ] . Frances Arnold a ete parmi les premiers a utiliser l' evolution dirigee pour creer des enzymes (molecules biochimiques ? proteines le plus souvent ? qui catalysent ou accelerent certaines reactions chimiques) avec des fonctions ameliorees voire tout a fait nouvelles [ 18 ] .

Cette strategie (evolution dirigee) implique de provoquer de maniere repetee et plus ou moins aleatoire des mutageneses de proteines (ou de cofacteurs ) pour obtenir une ≪ bibliotheque ≫ puis de cribler les proteines produites pour tester, selectionner et retenir celles qui semblent dotees de fonctions ameliorees. Elle a ete utilisee pour creer ou ameliorer des enzymes, des hemes , des voies metaboliques , des circuits de regulation genetique et meme des organismes. Dans la nature, l'evolution par selection naturelle debouche notamment sur des proteines nouvelles (dont des enzymes) ou produites a un endroit ou a un moment nouveau, ou elles se montrent adaptees a la realisation des taches biologiques que l'on souhaite voir effectuees ; mais cette selection naturelle ne peut agir que sur des proteines contenant des variations de sequence existantes (mutations) et elle prend generalement beaucoup de temps [ 19 ] .

Frances Arnold a choisi d'accelerer le processus en provoquant des mutations dans les sequences sous-jacentes des proteines dont elle teste ensuite les proprietes. Si une mutation ameliore la fonction d'une proteine ainsi modifiee, l'operateur peut repeter le processus pour l’optimiser davantage. Cette strategie a de vastes implications car elle peut etre utilisee pour concevoir des proteines pour une grande variete d'applications [ 20 ] .

Elle a ainsi decouvert des enzymes utiles pour produire des carburants renouvelables et des composes pharmaceutiques moins nocifs pour l'environnement [ 18 ] .

Par rapport a la transgenese telle qu'elle est pratiquee depuis les annees 1980, un avantage de l'evolution dirigee est que les mutations peuvent etre laissee dans certains cas au hasard (completement aleatoires) pour decouvrir un potentiel inexplore ou etre en partie guidees pour finir par trouver des mutations jugees efficaces et interessantes. Le nombre de combinaisons de mutations possibles est astronomique, mais Frances Arnold utilise les progres de la biochimie pour se concentrer sur l'introduction de mutations dans une ou plusieurs regions fonctionnelles de la proteine susceptibles d'avoir le plus de potentiel, en evitant de faire muter des zones dont les changements seraient au mieux, neutres et au pire, prejudiciables (telles que la perturbation du repliement correct de la proteines , qu'on retrouve par exemple dans les prions pathogenes ) [ 18 ] .

Frances Arnold a ete la premiere chimiste a appliquer l'evolution orientee pour l'optimisation d'enzymes [ 18 ]  ; son travail fondamental (publie en 1993) utilisait cette methode pour mettre au point une version de la subtilisine E active dans un environnement hautement artificiel dont notamment dans un solvant organique , le dimethylformamide (DMF) [ 21 ] . Elle a effectue ses travaux en utilisant quatre cycles sequentiels de mutagenese de genes de l'enzyme, exprime par une bacterie , via une PCR perturbatrice. Apres chaque cycle, elle a examine la capacites des enzymes a hydrolyser la caseine , une proteine du lait, en presence de DMF, en laissant la bacterie se developper dans des boites de Petri contenant une gelose a base de caseine et de DMF. La bacterie secretait l'enzyme et, si elle etait fonctionnelle, hydrolysait la caseine et produisait un halo visible. Elle a selectionne les bacteries qui presentaient les plus grands halos et a isole leur ADN pour de nouveaux cycles de mutagenese [ 18 ] . Elle a ainsi trouve une enzyme 256 fois plus active dans le DMF que l'originale [ 22 ] .

Frances Arnold a ensuite perfectionne sa methode, en appliquant differents criteres de selection afin d'≪ optimiser ≫ des enzymes pour differentes fonctions. Elle a montre que, alors que la plupart des enzymes naturelles ne fonctionnent bien que dans une fourchette etroite de temperature, des enzymes modifiees pour fonctionner a des temperatures plus chaudes et/ou froides pouvaient etre produites par evolution dirigee [ 18 ] . Elle a aussi concu des enzymes remplissant des fonctions inconnues dans l'environnement naturel, avec par exemple le cytochrome P450 qui realise une cyclopropanation [ 23 ] et des reactions de transfert de carbene et de nitrene [ 18 ] , [ 24 ] . Elle a ainsi co-developpe des enzymes dans les voies de biosynthese , dont celles impliquees dans la production de carotenoides [ 25 ] , ou, pour la biocatalyse , inverse l' enantioselectivite de la hydantoinase pour que la totalite d' Escherichia coli produise des acides amines de type L-methionine [ 26 ] .

Frances Arnold a applique ces methodes pour la production de biocarburants : elle a ainsi cree des bacteries produisant de l' isobutanol  ; il pouvait etre produit dans les bacteries E. coli , mais la voie de production necessitait le cofacteur NADPH, alors que E. coli fabrique un autre cofacteur (NADH). Frances Arnold a donc developpe les enzymes necessaires utilisant du NADH a la place du NADPH, permettant ainsi la production d'isobutanol [ 18 ] , [ 27 ] . Elle a aussi fait produire des enzymes hautement specifiques et efficaces pouvant remplacer certaines synthese chimique de maniere moins polluante [ 18 ] .

Elle et d'autres personnes, avec les memes methodes ont cree des enzymes effectuant des syntheses chimique plus rapides, avec moins de sous-produits et, parfois sans besoin de metaux lourds dangereux comme catalyseurs [ 22 ] .

Jeffrey Moore (ancien eleve de Frances Arnold) et ses collegues ont utilise l'evolution dirigee pour faire evoluer une enzyme en vue de produire la sitagliptine ( antidiuretique ) [ 28 ] . Frances Arnold a aussi forme des chimeres de proteines dotees de fonctions uniques. Elle a developpe des methodes de calcul, dont la methode SCHEMA predisant comment les parties peuvent etre combinees sans perturber leur structure-mere (afin que les proteines-chimeres se replient correctement), puis elle leur a applique ses methodes d'evolution dirigee pour produire des mutations ulterieures de ces chimeres, afin d'optimiser leurs fonctions [ 29 ] , [ 30 ] .

Frances Arnold dirige au Caltech un laboratoire qui continue d'etudier l'evolution dirigee et ses applications dans la synthese chimique respectueuse de l'environnement et au service des energies vertes et alternatives, avec notamment le developpement d'enzymes et microorganismes hautement actifs (enzymes cellulolytiques et biosynthetiques) pour convertir la biomasse renouvelable en produits chimiques carburants et/ou en reactifs.

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

  1. ↑ (en) Howard Bruschi, Memorial Tributes : Volume 21 , Washington, National Academies Press , , 406  p. ( ISBN   978-0-309-45928-0 , lire en ligne ) , p.  16
  2. ↑ (en) Zoe Corbyn, ≪  Frances Arnold: ‘To expect a Nobel prize is rather silly’  ≫, The Guardian ,‎ ( lire en ligne )
  3. ↑ B. Guarino, ≪ 'Her work is incredible': Pittsburgh native Frances Arnold shares Nobel Prize in chemistry ≫ , Pittsburgh Post-Gazette , 3 octobre 2018.
  4. ↑ Olga Kharif, ≪ Frances Arnold's Directed Evolution ≫ , Bloomberg Businessweek , publie le 15 mars 2012, consulte le 1 er septembre 2012.
  5. ↑ ≪ Frances H. Arnold ≫ , NAE Website, consulte le 3 octobre 2018.
  6. ↑ ≪ A to G | Harvey W. Blanch ≫ , stage.cchem.berkeley.edu, consulte le 3 octobre 2018.
  7. ↑ ≪ Interview with Frances H. Arnold ? Design by Evolution ≫ , ChemViews Magazine  : ChemistryViews.
  8. ↑ ≪ Andrew E. Lange '80 ≫ , Princeton Alumni Weekly , consulte le 3 octobre 2018.
  9. ↑ ≪ Andrew Lange, Scholar of the Cosmos, Dies at 52 ≫ , New York Times , consulte le 3 octobre 2018.
  10. ↑ (en) Maggie Fox, ≪  Nobel winner overcame personal loss, cancer, and being a woman  ≫, NBC News ,‎ ( lire en ligne )
  11. ↑ Walter Hamilton, ≪ Frances Arnold: Career path of a Caltech scientist ≫ , Los Angeles Times , consulte le 1 er septembre 2012.
  12. ↑ a b c et d Philippe Pajot, ≪  Chimie  ≫, La Recherche ,‎ , p.  7-11
  13. ↑ ≪ Caltech Professor Frances H. Arnold Elected to the National Academy of Sciences ≫ , Caltech, 5 mai 2008.
  14. ↑ ≪ Frances Arnold's directed evolution ≫ , American Association for the Advancement of Science, consulte le 3 octobre 2018.
  15. ↑ (en) ≪  George P. Smith  ≫, sur The Nobel price , (consulte le ) .
  16. ↑ David Larousserie et Herve Morin , ≪  Le Nobel de chimie pour deux Americains, un Britannique et leurs travaux sur l’evolution en eprouvette  ≫, Le Monde ,‎ ( lire en ligne , consulte le ) .
  17. ↑ (it) ≪  Rinunce e nomine : Nomina di Membro Ordinario della Pontificia Accademia delle Scienze  ≫, sur press.vatican.va ,
  18. ↑ a b c d e f g h et i ≪ The Nobel Prize in Chemistry 2018 ≫ (PDF), The Royal Swedish Academy of Sciences, consulte le 3 octobre 2018.
  19. ↑ Patrick C. Cirino, Frances H. Arnold, ≪ Exploring the Diversity of Heme Enzymes through Directed Evolution ≫ , Directed Molecular Evolution of Proteins, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, p.  215?243 ( ISBN   3527304231 ) , consulte le 3 octobre 2018.
  20. ↑ ≪ Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2018 ≫ (PDF), Royal Swedish Academy of Sciences, consulte le 3 octobre 2018.
  21. ↑ K. Chen, F. H. Arnold, ≪ Tuning the activity of an enzyme for unusual environments: sequential random mutagenesis of subtilisin E for catalysis in dimethylformamide ≫ , Proceedings of the National Academy of Sciences , vol. 90 n o  12, p.  5618?5622, 15 juin 1993, doi:10.1073/pnas.90.12.5618 ( ISSN   0027-8424 ) .
  22. ↑ a et b Ann Fernholm, ≪ A (r)evolution in chemistry ≫ (PDF), The Nobel Prize in Chemistry 2018 : Popular Science Background, 3 octobre 2018.
  23. ↑ Pedro S. Coelho, Eric M. Brustad, Arvind Kannan, Frances H. Arnold, ≪ Olefin cyclopropanation via carbene transfer catalyzed by engineered cytochrome P450 enzymes ≫ , Science (New York, N.Y.), n o  339 (6117), p. 307?310, 18 janvier 2013, doi:10.1126/science.1231434 ( ISSN   1095-9203 ) , PMID 23258409 .
  24. ↑ Christopher K. Prier, Todd K. Hyster, Christopher C. Farwell, Audrey Huang, Frances H. Arnold, ≪ Asymmetric Enzymatic Synthesis of Allylic Amines: A Sigmatropic Rearrangement Strategy ≫, Angewandte Chemie (International Ed. in English), vol. 55, n o  15, p.  4711?4715, 4 avril 2016, doi:10.1002/anie.201601056 ( ISSN   1521-3773 ) , PMC 4818679, PMID 26970325 .
  25. ↑ C. Schmidt-Dannert, D. Umeno, F. H. Arnold, ≪ Molecular breeding of carotenoid biosynthetic pathways ≫ , Nature Biotechnology , vol. 18, n o  7, p.  750?753, 1 er juillet 2000, doi:10.1038/77319 ( ISSN   1087-0156 ) , PMID 10888843 .
  26. ↑ O. May, P.T. Nguyen, F.H. Arnold, ≪ Inverting enantioselectivity by directed evolution of hydantoinase for improved production of L-methionine ≫, Nature Biotechnology , vol. 18 n o  3, p.  317?320, 1 er mars 2000, doi:10.1038/73773 ( ISSN   1087-0156 ) , PMID 10700149 .
  27. ↑ Sabine Bastian, Xiang Liu, Joseph T. Meyerowitz, Christopher D. Snow, Mike M. Y. Chen, Frances H. Arnold, ≪ Engineered ketol-acid reductoisomerase and alcohol dehydrogenase enable anaerobic 2-methylpropan-1-ol production at theoretical yield in Escherichia coli ≫ , Metabolic Engineering , vol. 13, n o  3, p.  345?352, mai 2011 doi:10.1016/j.ymben.2011.02.004 ( ISSN   1096-7184 ) PMID 21515217 .
  28. ↑ David Freeman, ≪ Meet The Woman Who Launched A New Field Of Scientific Study ≫ , Huffington Post , 31 mai 2016, consulte le 4 octobre 2018.
  29. ↑ The Frances H. Arnold Research Group, ≪ Structure-guided protein recombination ≫ , consulte le 3 octobre 2018.
  30. ↑ Michelle M. Meyer, Lisa Hochrein, Frances H. Arnold, ≪ Structure-guided SCHEMA recombination of distantly related β-lactamases ≫ , Protein Engineering, Design and Selection , vol. 19, n o  12, p.  563?570, 6 novembre 2006, doi:10.1093/protein/gzl045 ( ISSN   1741-0134 ) .

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