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Costruire una fabbrica chimica migliore, con i microbi
Sasha Israel
Gli ingegneri metabolici hanno un problema: le cellule sono egoiste. Gli scienziati vogliono utilizzare i microbi per produrre composti chimici per applicazioni industriali. I microbi preferiscono concentrarsi sulla propria crescita.
Kristala L. Jones Prather '94 ha ideato uno strumento che soddisfa entrambi gli obiettivi contrastanti. La sua valvola metabolica agisce come un cambio di treno: rileva quando una coltura cellulare si è riprodotta abbastanza da sostenersi e quindi reindirizza il flusso metabolico - il movimento delle molecole in un percorso - lungo il binario che sintetizza il composto desiderato. I risultati: maggiore resa del prodotto e crescita cellulare sufficiente per mantenere la coltura sana e produttiva.
William E. Bentley, professore di bioingegneria all'Università del Maryland, segue il lavoro di Prather da più di due decenni. Definisce le valvole un nuovo principio ingegneristico che, secondo lui, sarà molto apprezzato nella comunità di ricerca. La loro capacità di eliminare i colli di bottiglia può rivelarsi così essenziale per coloro che tentano di sintetizzare una particolare molecola in quantità utili che in molti casi potrebbe decidere se si tratta di un'impresa riuscita o meno, afferma Bentley.
Prather, Arthur D. Little Professor of Chemical Engineering del MIT, lavora nei campi intersecanti della biologia sintetica e dell'ingegneria metabolica: un luogo in cui la scienza, piuttosto che l'arte, imita la vita. Le valvole svolgono un ruolo importante nel suo obiettivo più ampio di programmare i microbi, principalmente E. coli —per produrre sostanze chimiche che possono essere utilizzate in un'ampia gamma di campi, compresi l'energia e la medicina. Lo fa osservando ciò che la natura può fare. Poi ipotizza cosa dovrebbe essere in grado di fare con un assist da DNA inserito strategicamente.
Stiamo aumentando la capacità sintetica dei sistemi biologici, afferma Prather, che ha inserito la lista TR35 del MIT Technology Review nel 2007. Dobbiamo spingerci oltre ciò che la biologia può fare naturalmente e iniziare a farle produrre composti che normalmente non produce.
Prather descrive il suo lavoro come la creazione di un nuovo tipo di fabbrica chimica all'interno delle cellule microbiche, in grado di produrre composti ultra puri in modo efficiente su larga scala. Indurre i microbi a produrre i composti desiderati è più sicuro e più rispettoso dell'ambiente rispetto alla sintesi chimica tradizionale, che in genere coinvolge temperature elevate, pressioni elevate e strumentazione complicata e, spesso, sottoprodotti tossici. Non ha avuto l'idea di trasformare i microbi in fabbriche chimiche, ma il suo laboratorio è noto per lo sviluppo di strumenti e processi di messa a punto che lo rendono efficiente e pratico.
Questo è l'approccio che ha adottato con l'acido glucarico, che ha molteplici applicazioni commerciali, alcune delle quali verdi. Gli impianti di trattamento delle acque, ad esempio, si affidano da tempo ai fosfati per prevenire la corrosione nei tubi e per legarsi con metalli come piombo e rame in modo che non penetrino nella rete idrica. Ma i fosfati alimentano anche le fioriture di alghe nei laghi e negli oceani. L'acido glucarico fa lo stesso lavoro dei fosfati senza alimentare quelle fioriture tossiche.
SASHA ISRAELLa produzione di acido glucarico nel solito modo, attraverso l'ossidazione chimica del glucosio, è costosa, spesso produce un prodotto non molto puro e crea molti rifiuti pericolosi. Le fabbriche microbiche di Prather lo producono con elevati livelli di purezza e senza i sottoprodotti tossici, a un costo ragionevole. Ha cofondato la startup Kalion nel 2011 per mettere in pratica il suo approccio da fabbrica microbica. (Prather è l'ufficiale scientifico capo di Kalion. Suo marito, Darcy Prather '91, ne è il presidente.)
L'azienda, che sta allineando la produzione su larga scala in Slovacchia, ha diversi potenziali clienti. Sebbene il più grande di questi sia nei servizi petroliferi, si scopre anche, nel modo meraviglioso e stravagante in cui funziona la chimica, che lo stesso composto viene utilizzato nella produzione farmaceutica, dice Prather. È richiesto, ad esempio, nella produzione del farmaco per l'ADHD Adderall. E può essere utilizzato per rendere i tessuti più resistenti, il che potrebbe portare a un riciclaggio più efficace del cotone e di altri materiali naturali.
Il primo obiettivo di Kalion sono i fosfati, a causa delle loro immediate applicazioni commerciali. Ma nella sua ricerca più ampia, Prather ha anche attirato un grande successo sul petrolio. Desiderosa di produrre alternative più ecologiche alla benzina e alla plastica, lei e il suo gruppo di ricerca al MIT stanno usando i batteri per sintetizzare molecole che normalmente sarebbero derivate dal petrolio. Quadro generale, se abbiamo successo, dice Prather, quello che stiamo facendo è spostare le cose una dopo l'altra dallo scaffale per dire: 'Quello non è più fatto di petrolio'. Quello ora è fatto da biomassa.'
Dal Texas orientale al MIT
Nato a Cincinnati, Prather è cresciuto a Longview, in Texas, sullo sfondo di pompe e derrick di giacimenti petroliferi. Suo padre morì prima che lei compisse due anni. Sua madre ha lavorato al Wylie College, una piccola scuola storicamente nera, dove ha conseguito una laurea nel 2004, aggiunge Prather.
Prather, il primo commiato di colore del suo liceo, aveva solo vaghe idee sulle opportunità accademiche e professionali al di fuori del suo stato. Con gli opuscoli del college che inondavano la cassetta della posta della famiglia durante il suo primo anno, ha chiesto consiglio a un insegnante di storia. La matematica era la mia materia preferita al liceo e mi piaceva la chimica, dice Prather. L'insegnante le disse che matematica più chimica equivalevano a ingegneria chimica e che se voleva fare l'ingegnere doveva andare al MIT. Cos'è il MIT? chiese Prather.
Altri nella comunità non erano meglio informati. Quello che allora era il DeVry Institute of Technology, una scuola a scopo di lucro con una reputazione accademica tutt'altro che stellare e campus in tutto il paese, faceva pubblicità pesantemente in televisione. Quando ha detto alle persone che sarebbe andata al MIT, hanno pensato che fosse una filiale DeVry nel Massachusetts. Erano delusi, perché pensavano che avrei fatto grandi cose, dice Prather. Ma qui stavo andando in questa scuola commerciale per fare l'assistente di un idraulico.
Nel giugno 1990 Prather arrivò al campus per partecipare a Interphase, un programma offerto dall'Office of Minority Education del MIT. Progettato per facilitare la transizione per gli studenti in arrivo, Interphase è stato un punto di svolta, afferma Prather. Il programma l'ha presentata a un gruppo duraturo di amici e l'ha portata a familiarizzare con il campus. Soprattutto, ha instillato fiducia. Provenendo da una scuola senza classi AP, Prather si era preoccupato di partire dietro la curva. Quando ha scoperto di conoscere il materiale nella sua classe di matematica Interphase, è stato un sollievo. Quando mi annoiavo, pensavo: 'Io appartengo a qui', dice.
Da studente, Prather è stato esposto all'ingegneria dei bioprocessi, che utilizza cellule viventi per indurre i cambiamenti chimici o fisici desiderati in un materiale. A quel tempo gli scienziati trattavano le cellule da cui inizia il processo come qualcosa di fisso. Prather è rimasto affascinato dall'idea di poter progettare non solo il processo ma anche la biologia della cellula stessa. Il modo in cui potevi copiare e tagliare e incollare il DNA piaceva alla parte di me a cui piaceva la matematica, dice.
Prather decise un soggiorno
il mondo aziendale ridurrebbe il rischio che la sua carriera accademica venga consegnata all'irrilevanza del mondo reale.
Dopo la laurea nel 1994, Prather ha conseguito il dottorato di ricerca presso l'Università della California, a Berkeley, dove il suo consulente era Jay Keasling, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare che era in prima linea nel nuovo campo della biologia sintetica. A Berkeley, Prather ha cercato modi per spostare il DNA dentro e fuori le cellule per ottimizzare la creazione di proteine desiderabili.
La pratica a quel tempo era quella di aumentare la massa cellulare con molto DNA, che a sua volta avrebbe prodotto molte proteine, che avrebbero generato molto del composto chimico desiderato. Ma c'era un problema, che Prather, che vive vicino a un pittoresco parco statale, spiega con un'analogia locale. Posso fare un'escursione leggera nella riserva di Blue Hills, dice, ma non se mi metti uno zaino da 50 libbre sulla schiena. Allo stesso modo, una cellula sovraccarica a volte può rispondere dicendo: 'Sono troppo stanco'. La tesi di dottorato di Prather ha esplorato i sistemi che producono in modo efficiente gran parte della sostanza chimica desiderata utilizzando meno DNA.
Nel suo quarto anno a Berkeley, Prather ha ricevuto una borsa di studio da DuPont e si è recata nel Delaware per la sua prima presentazione a figura intera. Seguendo la pratica standard della conferenza, ha esposto al suo pubblico le tre motivazioni alla base della sua ricerca. In seguito, uno degli scienziati dell'azienda le spiegò educatamente perché tutti e tre erano stati fuorviati. Ha detto: 'Quello che stai facendo è interessante e importante, ma sei motivato da ciò che pensi sia importante nell'industria', afferma Prather. 'E semplicemente non ci interessa nessuna di queste cose.'
Umiliata, Prather decise che un soggiorno nel mondo aziendale avrebbe ridotto il rischio che la sua carriera accademica sarebbe stata consegnata all'irrilevanza del mondo reale. Ha trascorso i successivi quattro anni alla Merck, in un gruppo che ha sviluppato processi per produrre cose come proteine terapeutiche e vaccini. Lì ha appreso i tipi di progetti e problemi che contano di più per i praticanti come il suo critico di DuPont.
Merck impiegò orde di chimici per produrre grandi quantità di composti chimici da utilizzare in nuovi farmaci. Quando parte di quel processo sembrava più adatto alla biologia che alla chimica, lo passavano al dipartimento in cui lavorava Prather, che utilizzava gli enzimi per eseguire il passaggio successivo. In genere non erano reazioni molto complicate, dice Prather. Un unico passaggio convertendo A in B.
Prather era incuriosito dalla possibilità di eseguire non solo i singoli passaggi ma l'intera sintesi chimica all'interno delle cellule, utilizzando catene di reazioni chiamate vie metaboliche. Quel lavoro ha ispirato quella che sarebbe diventata una delle sue ricerche più acclamate al MIT, dove è entrata a far parte della facoltà nel 2004.
Trovare l'interruttore di produzione
Non passò molto tempo dopo essere tornata al MIT che questa giovane donna della zona petrolifera del Texas prese di mira i combustibili fossili e i loro sottoprodotti. Molti dei progetti del suo laboratorio si concentrano sulla sostituzione del petrolio come materia prima. In uno, una collaborazione con i colleghi del MIT Brad Olsen '03, ingegnere chimico, e Desiree Plata, PhD '09, ingegnere civile e ambientale, Prather sta utilizzando la biomassa per creare polimeri rinnovabili che potrebbero portare a un tipo di plastica più verde. Il suo laboratorio sta cercando di indurre i microbi a convertire lo zucchero delle piante in monomeri che possono poi essere convertiti chimicamente in polimeri per creare plastica. Al termine della vita utile della plastica, si biodegrada e si trasforma in nutrienti. Questi nutrienti ti daranno più piante da cui puoi estrarre più zucchero che puoi trasformare in nuove sostanze chimiche per trasformarsi in nuova plastica, afferma Prather. È il cerchio della vita lì.
In questi giorni sta attirando la massima attenzione per la sua ricerca sull'ottimizzazione dei percorsi metabolici, ricerca che lei e altri scienziati possono quindi utilizzare per massimizzare la resa di un prodotto desiderato.
La sfida è che le cellule danno la priorità all'uso di nutrienti, come il glucosio, per crescere piuttosto che per produrre questi composti desiderabili. Più crescita per la cellula significa meno prodotto per lo scienziato. Quindi ti imbatti in un problema di concorrenza, dice Prather.
Prendi l'acido glucarico, la sostanza chimica prodotta dall'azienda di Prather e che secondo Keasling è estremamente importante per l'industria. (Queste molecole non sono banali da produrre, in particolare ai livelli che sono necessari industrialmente, dice.) Prather e il suo laboratorio avevano aggiunto tre geni - tratti da topi, lievito e un batterio - a E. coli , consentendo ai batteri di trasformare un tipo di zucchero semplice in acido glucarico. Ma i batteri avevano anche bisogno di quello zucchero per un percorso metabolico che scompone il glucosio per alimentare la propria crescita e riproduzione.
Il team di Prather voleva chiudere il percorso che nutre la crescita e deviare lo zucchero in un percorso che produce acido glucarico, ma solo dopo che la coltura batterica era cresciuta abbastanza da sostenersi come una fabbrica chimica produttiva. Per fare ciò hanno utilizzato il quorum sensing, un tipo di comunicazione attraverso la quale i batteri condividono informazioni sui cambiamenti nel numero di cellule nella loro colonia, che consente loro di coordinare le funzioni dell'intera colonia come la regolazione genica. Il team ha progettato ogni cellula per produrre una proteina che poi crea una molecola chiamata AHL. Quando il quorum sensing rileva una certa quantità di AHL, la quantità prodotta nel tempo necessario alla coltura per raggiungere una dimensione sostenibile, attiva un interruttore che disattiva la produzione di un enzima che fa parte del processo di degradazione del glucosio. Il glucosio passa alla via della sintesi chimica, aumentando notevolmente la quantità di acido glucarico prodotto.
Gli interruttori di Prather, chiamati valvole del metabolita, sono ora utilizzati in processi che sfruttano i microbi per produrre un'ampia gamma di sostanze chimiche desiderate. Le valvole si aprono o si chiudono in risposta ai cambiamenti nella densità di particolari molecole in un percorso. Questi interruttori possono essere regolati con precisione per ottimizzare la produzione senza compromettere la salute dei batteri, aumentando notevolmente la produzione. Il documento di punta dei ricercatori, pubblicato su Nature Biology nel 2017, è stato citato quasi 200 volte. L'obiettivo a questo punto è aumentare la scala.
Come molti dei meccanismi utilizzati da Prather nella sua ricerca, tali interruttori esistono già in biologia. Le cellule le cui risorse sono minacciate da cellule estranee vicine passeranno dalla modalità di crescita alla produzione di antibiotici per uccidere i loro concorrenti, ad esempio. Le cellule che producono cose come gli antibiotici hanno un modo naturale di produrre prima di tutto se stesse, quindi di impiegare le proprie risorse nella creazione di prodotti, dice. Abbiamo sviluppato un modo sintetico di imitare la natura.
Il consulente di Prather a Berkeley, Keasling, ha utilizzato un derivato dell'interruttore ispirato dalla sua ricerca. Lo strumento per incanalare il flusso metabolico - il flusso di materiale attraverso una via metabolica - è un lavoro estremamente importante che penso sarà ampiamente utilizzato in futuro dagli ingegneri metabolici, dice. Quando Kristala pubblica qualcosa, sai che funzionerà.
Guidare giovani scienziati
Prather riceve almeno tanto riconoscimento per l'insegnamento e il tutoraggio quanto per la sua ricerca. Si preoccupa profondamente dell'istruzione ed è coinvolta nei suoi studenti in un modo che si distingue davvero, afferma Keasling. Gli studenti descrivono il suo ottimismo e sostegno, dicendo che motiva senza comandare. Ha creato un ambiente in cui ero libero di fare i miei errori, imparare e crescere, dice Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, che ha studiato con Prather tra il 2007 e il 2012 ed è ora assistente professore di chimica e biomedica ingegneria presso l'Università del Delaware. In altri laboratori, osserva, hai scadenze difficili e ti esibisci o vai fuori di testa.
È stato alla Merck che Prather si è resa conto di quanto ama lavorare con i giovani scienziati, ed è stato anche il luogo in cui ha assemblato l'arsenale manageriale che usa per gestire il suo laboratorio. Quindi, ad esempio, si assicura di conoscere le preferenze di ogni studente sullo stile di comunicazione, perché trattare tutti in modo equo non è lo stesso che trattare tutti allo stesso modo, dice. Gli incontri individuali iniziano con pochi minuti di chat su argomenti generali, così Prather può scoprire gli stati d'animo degli studenti e assicurarsi che stiano bene. Stabilisce standard chiari, con l'intento di evitare l'incertezza sulle aspettative che è comune nei laboratori accademici. E quando gli studenti sollevano preoccupazioni, è importante documentare e confermare di essere stati ascoltati, dice.
I leader più efficaci modellano i comportamenti che vogliono vedere negli altri. Prather, che ha ricevuto il Martin Luther King Leadership Award del MIT nel 2017, si aspetta impegno e prestazioni elevate dai suoi studenti e dottorandi, ma non a scapito della loro salute fisica o mentale. Scoraggia il lavoro nei fine settimana, nella misura in cui è possibile in biologia, e insiste affinché i membri del laboratorio prendano le vacanze. E fin dall'inizio ha dimostrato che è possibile contemporaneamente fare scienze di prim'ordine e avere una vita personale.
Prather fa il check-in con lo studente laureato in ingegneria chimica K'yal Bannister, che sta progettando percorsi per il progetto per la produzione di monomeri rinnovabili.
SASHA ISRAELLe due figlie di Prather erano entrambe ragazze del campus. Aveva 31 anni, con un bambino di due mesi, quando è entrata a far parte della facoltà, e avrebbe allattato sua figlia nel suo studio prima di lasciarla nella nuova struttura per l'infanzia dell'Istituto. Più tardi, ha allestito un tavolino e sedie vicino alla sua scrivania come area giochi. I bambini l'hanno accompagnata nei viaggi di lavoro - Prather e suo marito si sono alternati a guardarli quando erano piccoli - e spesso partecipano alle serate e agli eventi del fine settimana della madre. Prather ricorda di essersi presentato per una presentazione in 32-123 con entrambi i bambini al seguito e di averli preparati con spuntini in prima fila. Mia figlia ha prontamente lasciato cadere la salsa marinara per andare con i suoi bastoncini di mozzarella sul pavimento, dice. Ero in ginocchio a pulire la salsa rossa 15 minuti prima di fare un discorso.
Prather stabilisce dei limiti. Rifiuta quasi tutti gli inviti per il venerdì sera, che è il momento della famiglia. I viaggi sono limitati a due al mese e non viaggerà per il compleanno di nessun membro della famiglia o per il suo anniversario. Ma accoglie anche gli studenti nella sua casa, dove organizza barbecue e cene del Ringraziamento per chiunque non abbia un posto dove andare. Li porto nella mia casa e nella mia vita, dice.
Quando Solomon era uno studente di Prather, lei ospitò persino i suoi genitori. Quell'ospitalità è continuata dopo la laurea, quando lui e sua madre si sono imbattuti nel suo ex professore a una conferenza in Germania. Ha gentilmente tenuto mia madre occupata perché sapeva che stavo lavorando in rete per promuovere la mia carriera, dice Solomon.
È stato un atto in linea con le priorità di Prather. Al di là delle innovazioni, al di là delle scoperte, il suo obiettivo generale è creare scienziati indipendenti di successo. La cosa più importante che facciamo come scienziati è formare studenti e dottorandi, dice. Se i tuoi studenti sono ben preparati e pronti a far progredire le conoscenze, anche se la cosa su cui stiamo lavorando non va da nessuna parte, per me questa è una vittoria.
Sull'essere neri al MIT
Testimoniare il razzismo
Da studentessa al MIT, Kristala Jones Prather '94 non è mai stata oggetto di comportamenti razzisti. Ma dice che altri studenti neri non sono stati così fortunati. Anche se nessuno l'ha sfidata direttamente, c'era un'atmosfera generale nel campus che metteva in dubbio la validità della mia esistenza, dice. Gli articoli su The Tech affermavano che l'azione affermativa stava diluendo la qualità del pool di studenti.
Durante il suo primo anno, un gruppo in piedi sul tetto di una confraternita ha lanciato insulti razzisti contro studenti neri che tornavano al loro dormitorio. In risposta, Prather e un altro studente hanno collaborato con Clarence G. Williams, HM '09, assistente speciale del presidente, per produrre un documentario intitolato È intuitivamente ovvio sull'esperienza degli studenti neri al MIT.
Sono stato coinvolto in molto attivismo per creare un clima in cui gli studenti non dovessero essere soggetti all'idea che il MIT stesse facendo beneficenza, dice Prather. Piuttosto, stava fornendo un'opportunità agli studenti che avevano dimostrato la loro capacità di rappresentare l'istituzione con orgoglio.
La decisione di Prather di tornare al MIT come membro della facoltà è stata difficile, in parte perché i suoi ex compagni di classe neri, molti dei quali avevano subito un palese razzismo, stavano scoraggiando i propri figli dal frequentarlo. Era anche preoccupata di non essere in grado di evitare attacchi personali questa volta. Non volevo che tutti i sentimenti positivi che avevo riguardo al MIT venissero rovinati, dice.
Quei timori si sono rivelati infondati. Prather afferma di aver ricevuto un enorme sostegno dal capo dipartimento e dai colleghi, oltre a abbondanti opportunità di leadership. Ma riconosce che non tutti i suoi coetanei possono dire lo stesso. È cautamente ottimista riguardo all'attuale iniziativa sulla diversità dell'Istituto. Stiamo facendo progressi, dice. Sto aspettando di vedere se c'è un vero impegno nel creare un ambiente in cui gli studenti di colore possano sentirsi come se l'Istituto fosse una casa per loro.