Bygge en bedre kjemisk fabrikk – ut av mikrober

Sasha Israel

Metabolske ingeniører har et problem: celler er egoistiske. Forskerne ønsker å bruke mikrober til å produsere kjemiske forbindelser for industrielle applikasjoner. Mikrobene foretrekker å konsentrere seg om sin egen vekst.

Kristala L. Jones Prather ’94 har utviklet et verktøy som tilfredsstiller begge motstridende mål. Metabolittventilen hennes fungerer som en togbryter: den registrerer når en cellekultur har reprodusert nok til å opprettholde seg selv og omdirigerer deretter metabolsk fluks – bevegelsen av molekyler i en bane – nedover sporet som syntetiserer den ønskede forbindelsen. Resultatene: større utbytte av produktet og tilstrekkelig cellevekst for å holde kulturen sunn og produktiv.

William E. Bentley, professor i bioingeniørvitenskap ved University of Maryland, har fulgt Prathers arbeid i mer enn to tiår. Han kaller ventilene et nytt prinsipp innen ingeniørfag som han regner med vil bli verdsatt høyt i forskningsmiljøet. Deres evne til å eliminere flaskehalser kan vise seg å være så viktig for de som prøver å syntetisere et bestemt molekyl i nyttige mengder at det i mange tilfeller kan avgjøre om det er et vellykket forsøk eller ikke, sier Bentley.

Prather, MITs Arthur D. Little Professor of Chemical Engineering, arbeider i de kryssende feltene syntetisk biologi og metabolsk teknikk: et sted hvor vitenskap, snarere enn kunst, imiterer livet. Ventilene spiller en viktig rolle i hennes større mål om å programmere mikrober - hovedsakelig E coli — å produsere kjemikalier som kan brukes på et bredt spekter av felt, inkludert energi og medisin. Det gjør hun ved å observere hva naturen kan gjøre. Så antar hun hva den skal kunne gjøre med en assist fra strategisk innsatt DNA.

Vi øker den syntetiske kapasiteten til biologiske systemer, sier Prather, som laget MIT Technology Reviews TR35-liste i 2007. Vi må presse utover det biologien naturlig kan gjøre og begynne å få den til å lage forbindelser som den vanligvis ikke lager.

Prather beskriver arbeidet hennes som å skape en ny type kjemisk fabrikk inne i mikrobielle celler - en som lager ultrarene forbindelser effektivt i stor skala. Å lokke mikrober til å produsere ønskede forbindelser er tryggere og mer miljøvennlig enn å stole på tradisjonell kjemisk syntese, som vanligvis involverer høye temperaturer, høyt trykk og komplisert instrumentering - og ofte giftige biprodukter. Hun oppsto ikke ideen om å gjøre mikrober om til kjemiske fabrikker, men laboratoriet hennes er kjent for å utvikle verktøy og finjustere prosesser som gjør det effektivt og praktisk.

Det er tilnærmingen hun har tatt med glukarsyre, som har flere kommersielle bruksområder, noen av dem grønne. Vannbehandlingsanlegg, for eksempel, har lenge vært avhengig av fosfater for å forhindre korrosjon i rør og for å binde seg med metaller som bly og kobber, slik at de ikke lekker ut i vannforsyningen. Men fosfater mater også algeoppblomstring i innsjøer og hav. Glukarsyre gjør det samme arbeidet som fosfater uten å mate de giftige blomstene.

SASHA ISRAEL

Å produsere glukarsyre på vanlig måte - gjennom kjemisk oksidasjon av glukose - er dyrt, gir ofte et produkt som ikke er veldig rent, og skaper mye farlig avfall. Prathers mikrobielle fabrikker produserer det med høye nivåer av renhet og uten de giftige biproduktene, til en rimelig pris. Hun var med på å grunnlegge oppstarten Kalion i 2011 for å sette sin mikrobielle fabrikk-tilnærming ut i livet. (Prather er Kalions vitenskapssjef. Mannen hennes, Darcy Prather '91, er presidenten.)

Selskapet, som stiller opp i storskalaproduksjon i Slovakia, har flere potensielle kunder. Selv om de største av disse er innen oljetjenester, viser det seg også, på den fantastiske, sprø måten kjemi fungerer på, at den samme forbindelsen brukes i farmasøytisk produksjon, sier Prather. Det kreves for eksempel ved produksjon av ADHD-medisinen Adderall. Og det kan brukes til å gjøre tekstiler sterkere, noe som kan føre til mer effektiv resirkulering av bomull og andre naturlige materialer.

Kalions første mål er fosfater, på grunn av deres umiddelbare kommersielle anvendelser. Men i sin bredere forskning har Prather også trukket et stort blikk på petroleum. Ivrig etter å produsere grønnere alternativer til bensin og plast, bruker hun og forskningsgruppen hennes ved MIT bakterier for å syntetisere molekyler som normalt ville være avledet fra petroleum. Det store bildet, hvis vi lykkes, sier Prather, er det vi gjør å flytte ting én etter én fra sokkelen for å si: ‘Det er ikke lenger laget av petroleum. Det er nå laget av biomasse.'

Fra Øst-Texas til MIT

Prather ble født i Cincinnati og vokste opp i Longview, Texas, mot et bakteppe av oljefeltpumper og boretårn. Faren hennes døde før hun fylte to. Moren hennes jobbet ved Wylie College, en liten, historisk svart skole – og tok selv en bachelorgrad der i 2004, er Prather rask med å legge til.

Hennes videregående skoles første fargediktorianer, Prather, hadde bare vage ideer om akademiske og profesjonelle muligheter utenfor staten hennes. Med høyskolebrosjyrer oversvømmet familiens postkasse i ungdomsåret, søkte hun råd fra en historielærer. Matte var favorittfaget mitt på videregående, og jeg likte kjemi, sier Prather. Læreren fortalte henne at matematikk pluss kjemi var lik kjemiteknikk, og at hvis hun ville bli ingeniør, burde hun gå til MIT. Hva er MIT? spurte Prather.

Andre i samfunnet var ikke bedre informert. Det som da var DeVry Institute of Technology, en for-profit skole med et mindre enn fantastisk akademisk rykte og campus rundt om i landet, reklamerte mye på TV. Da hun fortalte folk at hun skulle til MIT, antok de at det var en DeVry-filial i Massachusetts. De ble skuffet, for de trodde jeg skulle gjøre store ting, sier Prather. Men her skulle jeg på denne handelsskolen for å bli rørleggerassistent.

I juni 1990 ankom Prather campus for å delta i Interphase, et program som tilbys gjennom MITs Office of Minority Education. Designet for å lette overgangen for innkommende studenter, var Interphase en gamechanger, sier Prather. Programmet introduserte henne for en varig vennegjeng og gjorde henne kjent med campus. Det viktigste er at det innpodet tillit. Da han kom fra en skole uten AP-klasser, hadde Prather bekymret seg for å starte bak kurven. Da hun fant ut at hun kunne stoffet i Interphase-matematikken hennes, kom det som en lettelse. Da jeg kjedet meg, tenkte jeg: «Jeg hører hjemme her», sier hun.

Som bachelor ble Prather utsatt for bioprosessteknikk, som bruker levende celler for å indusere ønskede kjemiske eller fysiske endringer i et materiale. På den tiden behandlet forskerne cellene som prosessen starter fra som noe fast. Prather ble fascinert av ideen om at du kunne konstruere ikke bare prosessen, men også biologien til selve cellen. Måten du kunne kopiere og klippe og lime inn DNA appellerte til den delen av meg som likte matte, sier hun.

Prather bestemte seg for et opphold

bedriftsverdenen ville redusere risikoen for at hennes akademiske karriere ville bli overført til irrelevans i den virkelige verden.

Etter eksamen i 1994, tok Prather sin doktorgrad ved University of California, Berkeley, hvor hennes rådgiver var Jay Keasling, en professor i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap som var i forkant av det nye feltet syntetisk biologi. Hos Berkeley søkte Prather måter å flytte DNA inn og ut av celler for å optimere dannelsen av ønskelige proteiner.

Praksisen på den tiden var å bulke opp celler med mye DNA, som igjen ville produsere mye protein, som ville generere mye av den ønskede kjemiske forbindelsen. Men det var et problem, som Prather – som bor i nærheten av en naturskjønn delstatspark – forklarer med en lokal analogi. Jeg kan gå en lett tur i Blue Hills-reservatet, sier hun, men ikke hvis du legger en 50-kilos sekk på ryggen min. På samme måte kan en overbelastet celle noen ganger svare med å si: «Jeg er for trøtt.» Prathers doktorgradsavhandling utforsket systemer som effektivt produserer mye av et ønsket kjemikalie ved å bruke mindre DNA.

I sitt fjerde år på Berkeley mottok Prather et stipend fra DuPont og reiste til Delaware for sin første presentasjon i full lengde. Etter standard konferansepraksis la hun frem for publikum de tre motivasjonene som lå til grunn for forskningen hennes. Etterpå forklarte en av selskapets forskere høflig til henne hvorfor alle tre ble feilført. Han sa: 'Det du gjør er interessant og viktig, men du motiveres av det du synes er viktig i industrien,' sier Prather. 'Og vi bryr oss bare ikke om noen av de tingene.'

Ydmyk bestemte Prather at et opphold i bedriftsverdenen ville redusere risikoen for at hennes akademiske karriere ville bli overført til irrelevans i den virkelige verden. Hun tilbrakte de neste fire årene hos Merck, i en gruppe som utviklet prosesser for å lage ting som terapeutiske proteiner og vaksiner. Der lærte hun om hva slags prosjekter og problemer som betyr mest for utøvere som hennes DuPont-kritiker.

Merck ansatte horder av kjemikere for å produsere store mengder kjemiske forbindelser for bruk i nye medikamenter. Når en del av den prosessen virket bedre egnet for biologi enn for kjemi, ville de overlevert den til avdelingen Prather jobbet i, som brukte enzymer for å utføre neste trinn. Det var typisk ikke veldig kompliserte reaksjoner, sier Prather. Et enkelt trinn som konverterer A til B.

Prather var fascinert av muligheten for å utføre ikke bare individuelle trinn, men hele den kjemiske syntesen i cellene, ved å bruke kjeder av reaksjoner kalt metabolske veier. Dette arbeidet inspirerte det som skulle bli noe av hennes mest anerkjente forskning ved MIT, hvor hun begynte på fakultetet i 2004.

Finne produksjonsbryteren

Det var ikke lenge etter at hun kom tilbake til MIT at denne unge kvinnen fra oljefeltet i Texas tok sikte på fossilt brensel og deres biprodukter. Mange av laboratoriets prosjekter fokuserer på å erstatte petroleum som råstoff. I det ene – et samarbeid med MIT-kolleger Brad Olsen ’03, en kjemiingeniør, og Desiree Plata, PhD ’09, en sivil- og miljøingeniør – bruker Prather biomasse til å lage fornybare polymerer som kan føre til en grønnere plasttype. Laboratoriet hennes finner ut hvordan man kan få mikrober til å konvertere sukker fra planter til monomerer som deretter kan omdannes kjemisk til polymerer for å lage plast. På slutten av plastens brukbare levetid brytes den ned og blir tilbake til næringsstoffer. Disse næringsstoffene vil gi deg flere planter som du kan trekke ut mer sukker fra som du kan gjøre om til nye kjemikalier for å gå inn i ny plast, sier Prather. Det er livssirkelen der.

I disse dager trekker hun mest oppmerksomhet for forskningen sin på å optimalisere metabolske veier - forskning som hun og andre forskere deretter kan bruke for å maksimere utbyttet av et ønsket produkt.

Utfordringen er at cellene prioriterer bruken av næringsstoffer, som glukose, for å vokse fremfor å produsere disse ønskelige forbindelsene. Mer vekst for cellen betyr mindre produkt for forskeren. Så du støter på et konkurranseproblem, sier Prather.

Ta glukarsyre, kjemikaliet produsert av Prathers selskap - og en som Keasling sier er ekstremt viktig for industrien. (Disse molekylene er ikke trivielle å produsere, spesielt på de nivåene som er nødvendige industrielt, sier han.) Prather og laboratoriet hennes hadde lagt til tre gener – hentet fra mus, gjær og en bakterie – til E coli , som gjør det mulig for bakteriene å forvandle en type enkelt sukker til glukarsyre. Men bakteriene trengte også det sukkeret for en metabolsk vei som bryter ned glukose for å mate sin egen vekst og reproduksjon.

Prathers team ønsket å stenge den nærende veksten og lede sukkeret inn i en vei som produserer glukarsyre - men først etter at bakteriekulturen hadde vokst nok til å opprettholde seg selv som en produktiv kjemisk fabrikk. For å gjøre det brukte de quorum sensing, en slags kommunikasjon der bakterier deler informasjon om endringer i antall celler i deres koloni, som lar dem koordinere koloniomfattende funksjoner som genregulering. Teamet konstruerte hver celle for å produsere et protein som deretter lager et molekyl kalt AHL. Når quorum sensing oppdager en viss mengde AHL – mengden som produseres i løpet av tiden det tar for kulturen å nå en bærekraftig størrelse – aktiverer den en bryter som slår av produksjonen av et enzym som er en del av nedbrytningsprosessen for glukose. Glukosen skifter til den kjemiske synteseveien, og øker i stor grad mengden av glukarsyre som produseres.

Prathers brytere, kalt metabolittventiler, brukes nå i prosesser som utnytter mikrober for å produsere et bredt spekter av ønskede kjemikalier. Ventilene åpnes eller lukkes som svar på endringer i tettheten til bestemte molekyler i en bane. Disse bryterne kan finjusteres for å optimere produksjonen uten å kompromittere helsen til bakteriene, noe som øker produksjonen dramatisk. Forskernes flaggskip, som ble publisert i Nature Biology i 2017, har blitt sitert nesten 200 ganger. Målet på dette punktet er å trappe opp skalaen.

Som mange av mekanismene Prather bruker i sin forskning, eksisterer slike brytere allerede i biologien. Celler hvis ressurser er truet av naboceller, vil bytte fra vekstmodus til å produsere antibiotika for å drepe konkurrentene, for eksempel. Celler som lager ting som antibiotika har en naturlig måte å først gjøre mer ut av seg selv, og deretter bruke ressursene sine på å lage produkter, sier hun. Vi utviklet en syntetisk måte å etterligne naturen på.

Prathers Berkeley-rådgiver, Keasling, har brukt et derivat av bryteren inspirert av hennes forskning. Verktøyet for å kanalisere metabolsk fluks - flyten av materiale gjennom en metabolsk vei - er superviktig arbeid som jeg tror vil bli mye brukt i fremtiden av metabolske ingeniører, sier han. Når Kristala publiserer noe, vet du at det kommer til å fungere.

Veiledning av unge forskere

Prather får minst like mye anerkjennelse for undervisning og veiledning som for sin forskning. Hun bryr seg dypt om utdanning og er investert i elevene sine på en måte som virkelig skiller seg ut, sier Keasling. Elever beskriver hennes optimisme og støttende, og sier at hun motiverer uten å kommandere. Hun skapte et miljø der jeg var fri til å gjøre mine egne feil og lære og vokse, sier Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, som studerte med Prather mellom 2007 og 2012 og nå er assisterende professor i kjemisk og biomedisinsk ingeniør ved University of Delaware. I noen andre laboratorier, bemerker han, har du harde tidsfrister, og du presterer eller du flipper ut.

Det var på Merck at Prather skjønte hvor mye hun elsker å jobbe med unge forskere – og det var også der hun samlet ledelsesarsenalet hun bruker til å drive laboratoriet sitt. Så for eksempel sørger hun for å bli kjent med hver enkelt elevs preferanser om kommunikasjonsstil, fordi å behandle alle rettferdig er ikke det samme som å behandle alle likt, sier hun. En-til-en-møter begynner med noen få minutters prat om generelle emner, slik at Prather kan avklare elevenes sinnstilstander og sørge for at de er i orden. Hun setter klare standarder, innstilt på å unngå usikkerheten om forventninger som er vanlig i akademiske laboratorier. Og når studentene tar opp bekymringer, er det viktig å dokumentere og bekrefte at de er blitt hørt, sier hun.

De mest effektive lederne modellerer atferden de ønsker å se hos andre. Prather, som mottok MITs Martin Luther King Leadership Award i 2017, forventer engasjement og høy ytelse fra sine gradstudenter og postdoktorer, men ikke på bekostning av deres fysiske eller mentale helse. Hun fraråder å jobbe i helgene – i den grad det er mulig i biologi – og insisterer på at laboratoriemedlemmer tar ferie. Og fra begynnelsen har hun demonstrert at det er mulig å gjøre førsteklasses vitenskap samtidig og ha et personlig liv.

Prather sjekker inn med kjemiingeniørstudent K'yal Bannister, som designer veier for prosjektet for å produsere fornybare monomerer.

SASHA ISRAEL

Prathers to døtre var begge campusbarn. Hun var 31, med en to måneder gammel baby, da hun begynte på fakultetet, og hun skulle pleie datteren på kontoret sitt før hun forlot henne på instituttets nye spedbarnsomsorg. Senere satte hun opp et lite bord og stoler i nærheten av skrivebordet sitt som et lekeområde. Barna har fulgt henne på jobbreiser – Prather og mannen hennes byttet på å se på dem da de var små – og deltar ofte på mors kvelds- og helgearrangementer. Prather husker at han møtte opp for en presentasjon i 32-123 med begge barna på slep og satte dem opp med snacks på første rad. Datteren min droppet marinarasausen med en gang sammen med mozzarellastavene hennes på gulvet, sier hun. Jeg satt på hender og knær og tørket opp rød saus 15 minutter før jeg holdt en tale.

Prather setter grenser. Hun takker nei til nesten hver eneste invitasjon til fredagskvelder, som er familietid. Turer er begrenset til to i måneden, og hun vil ikke reise på noen familiemedlemmers bursdag eller på jubileet. Men hun ønsker også studenter velkommen inn i hjemmet sitt, hvor hun arrangerer grilling og Thanksgiving-middager for alle som ikke har et sted å gå. Jeg tar dem med inn i hjemmet mitt og inn i livet mitt, sier hun.

Da Solomon var Prathers elev, var hun til og med vert for foreldrene hans. Den gjestfriheten fortsatte etter at han ble uteksaminert, da han og moren møtte hans tidligere professor på en konferanse i Tyskland. Hun holdt mammaen min opptatt fordi hun visste at jeg var i nettverk for å fremme karrieren min, sier Solomon.

Det var en handling i tråd med Prathers prioriteringer. Utover innovasjonene, utover funnene, er hennes overordnede mål å skape uavhengige vellykkede forskere. Det viktigste vi gjør som forskere er å utdanne studenter og postdoktorer, sier hun. Hvis elevene dine er godt trent og klare til å fremme kunnskap – selv om det vi jobber med ikke går noen vei – er det en seier for meg.

---

Om å være svart ved MIT

Å vitne om rasisme

Som student ved MIT var Kristala Jones Prather ’94 aldri målet for rasistisk oppførsel. Men hun sier at andre svarte studenter ikke var så heldige. Selv om ingen utfordret henne direkte, var det en generell atmosfære på campus som stilte spørsmål ved gyldigheten av min eksistens, sier hun. Artikler i The Tech hevdet at bekreftende handling utvannet kvaliteten på studentpoolen.

I løpet av ungdomsåret hennes, slengte en gruppe som sto på taket til en fratret raseanklager mot svarte studenter som gikk tilbake til hybelen deres. Som svar samarbeidet Prather og en annen student med Clarence G. Williams, HM ’09, spesialassistent for presidenten, for å produsere en dokumentar kalt Det er intuitivt åpenbart om opplevelsen til svarte studenter ved MIT.

Jeg var involvert i mye aktivisme for å skape et klima der studenter ikke trengte å bli utsatt for forestillingen om at MIT gjorde veldedighet, sier Prather. Snarere ga det en mulighet for studenter som hadde demonstrert sin evne til å representere institusjonen med stolthet.

Prathers beslutning om å gå tilbake til MIT som fakultetsmedlem var vanskelig, delvis fordi hennes tidligere svarte klassekamerater, hvorav mange hadde opplevd åpenlys rasisme, frarådet sine egne barn å delta. Hun var også bekymret for at hun ikke ville være i stand til å unngå personangrep denne gangen. Jeg ville ikke at alle de positive følelsene jeg hadde om MIT skulle bli ødelagt, sier hun.

Den frykten viste seg å være ubegrunnet. Prather sier hun har fått enorm støtte fra avdelingslederen og kollegene, samt rikelig med ledermuligheter. Men hun innser at ikke alle jevnaldrende kan si det samme. Hun er forsiktig optimist med tanke på instituttets nåværende mangfoldsinitiativ. Vi gjør fremskritt, sier hun. Jeg venter på å se om det er en reell forpliktelse til å skape et miljø der fargede studenter kan føle at instituttet er et hjem for dem.

gjemme seg