کاربر:Hamidreza/صفحه تمرین

فرانسیس آرنولد
متولد	۲۵ ژوئیهٔ ۱۹۵۶
محل زندگی	پاسادنا، کالیفرنیا
ملیت	آمریکایی
جوایز	جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۸؛ مدال ملی فناوری و نوآوری
والدین	ویلیام هاوارد آرنولد و جوزفین روتو
فرزندان	سه فرزند

فرانسیس آرنولد (Frances H. Arnold؛ زادهٔ ۲۵ ژوئیهٔ ۱۹۵۶) مهندس شیمی، مهندس زیستی و زیست‌شیمی‌دان آمریکایی است. او استاد مهندسی شیمی، مهندسی زیستی و زیست‌شیمی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا است و در سال ۲۰۱۸، نیمی از جایزهٔ نوبل شیمی را دریافت کرد. انگیزهٔ رسمی جایزه «برای تکامل هدایت‌شدهٔ آنزیم‌ها» اعلام شد.

آرنولد با الهام از سازوکار تکامل طبیعی، روشی برای ساخت و بهبود آنزیم‌ها در آزمایشگاه توسعه داد. آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که واکنش‌های شیمیایی را سرعت می‌بخشند. در روش او، ژن سازندهٔ یک آنزیم دچار تغییرات متعدد می‌شود. سپس آنزیم‌های حاصل از نظر یک ویژگی مشخص، مانند سرعت یا پایداری، آزمایش می‌شوند.

نمونه‌های بهتر انتخاب می‌شوند و چرخهٔ تغییر و انتخاب چندین بار تکرار می‌شود. این روش به پژوهشگران اجازه می‌دهد آنزیم‌هایی برای کاربردهای صنعتی و پزشکی تولید کنند؛ حتی زمانی که طراحی مستقیم ساختار آنزیم بسیار دشوار است.

زندگی و تحصیلات

فرانسیس آرنولد در پیتسبورگ، پنسیلوانیا، به دنیا آمد و در خانواده‌ای پرجمعیت رشد کرد. پدرش فیزیک‌دان تجربی بود و بعدها در صنعت هسته‌ای کار کرد. آرنولد در کودکی به پزشکی، علوم طبیعی و سازوکار ابزارها علاقه داشت، اما به‌تدریج دریافت که مهندسی شیمی امکان پیوند میان دانش نظری و حل مسائل عملی را فراهم می‌کند.

او در سال ۱۹۷۹ مدرک کارشناسی مهندسی مکانیک و هوافضا را از دانشگاه پرینستون دریافت کرد. در این دوره، به مسائل انرژی و فناوری‌های نو علاقه‌مند شد. سپس برای ادامهٔ تحصیل به دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، رفت و در سال ۱۹۸۵ دکترای مهندسی شیمی گرفت. زمینهٔ آموزشی او شامل مهندسی فرایند، شیمی و زیست‌شیمی بود و همین ترکیب بعدها در پژوهش‌هایش دربارهٔ آنزیم‌ها اهمیت پیدا کرد.

آرنولد در سال ۱۹۸۶ به‌عنوان پژوهشگر مهمان به کال‌تک پیوست و در سال ۱۹۸۷ به عضویت هیئت علمی درآمد. او در سال ۱۹۹۲ دانشیار و در سال ۱۹۹۶ استاد شد. در کال‌تک به‌تدریج گروهی پژوهشی در زمینهٔ مهندسی پروتئین، زیست‌سوخت‌ها و شیمی پایدار ایجاد کرد.

مسئلهٔ طراحی آنزیم‌ها

آنزیم‌ها در همهٔ سلول‌های زنده واکنش‌های شیمیایی را کنترل می‌کنند. آن‌ها می‌توانند واکنش‌ها را تسریع کرده و در شرایط ملایم، مانند دما و فشار معمولی، به انجام برسانند. به همین دلیل، آنزیم‌ها برای تولید داروها، مواد غذایی، سوخت‌ها و مواد شیمیایی اهمیت دارند.

با این حال، طراحی یک آنزیم کاملاً جدید از روی اصول فیزیکی و شیمیایی بسیار دشوار است. شکل یک پروتئین به توالی صدها یا هزاران اسیدآمینه وابسته است. تغییر یک اسیدآمینه ممکن است فعالیت، پایداری یا توانایی اتصال آنزیم را بهتر یا بدتر کند. تعداد ترکیب‌های ممکن آن‌قدر زیاد است که آزمودن همهٔ آن‌ها عملاً امکان‌پذیر نیست.

آرنولد به جای آن‌که بخواهد ساختار کامل آنزیم را از ابتدا طراحی کند، از خودِ فرایند تکامل به‌عنوان ابزار مهندسی استفاده کرد. طبیعت در طول نسل‌های بسیار، تغییرات ژنتیکی را ایجاد و از میان آن‌ها نمونه‌های سازگارتر را انتخاب کرده است. آرنولد نشان داد که می‌توان این منطق را در آزمایشگاه فشرده کرد و در چند مرحله، آنزیم‌هایی با ویژگی‌های مطلوب ساخت.

تکامل هدایت‌شدهٔ آنزیم‌ها

در تکامل هدایت‌شده، نخست ژن سازندهٔ آنزیم در معرض جهش قرار می‌گیرد. این جهش‌ها می‌توانند با روش‌های آزمایشگاهی در بخش‌های مختلف ژن ایجاد شوند. مجموعه‌ای از نسخه‌های تغییر‌یافتهٔ ژن ساخته می‌شود و هر نسخه در سلول یا سامانه‌ای زیستی به پروتئین مربوط تبدیل می‌شود.

سپس پژوهشگران عملکرد این مجموعه را آزمایش می‌کنند. اگر هدف افزایش سرعت واکنش باشد، فعالیت هر آنزیم اندازه‌گیری می‌شود. اگر هدف افزایش پایداری باشد، آنزیم‌ها در دما یا محیط شیمیایی سخت قرار می‌گیرند. بهترین نمونه‌ها انتخاب می‌شوند و دوباره برای ایجاد نسل بعدی تغییر می‌کنند.

آرنولد در سال ۱۹۹۳ نخستین تکامل هدایت‌شدهٔ آنزیم‌ها را انجام داد. او با ایجاد تغییرات پی‌درپی در آنزیم subtilisin E توانست گونه‌هایی به دست آورد که در محیطی غیرطبیعی و حاوی حلال‌های آلی فعالیت داشتند. این کار نشان داد که می‌توان آنزیم‌ها را برای شرایطی بهینه کرد که در طبیعت معمول نیست.

تکامل هدایت‌شده به طراحی کاملاً دقیق همهٔ جزئیات مولکولی نیاز ندارد. پژوهشگر ویژگی مطلوب را تعیین می‌کند، تغییرات را ایجاد می‌کند و عملکرد نمونه‌ها را اندازه می‌گیرد. این روش از ترکیب زیست‌شناسی، شیمی، مهندسی و آمار استفاده می‌کند و با تکرار چرخهٔ جهش و انتخاب به نتیجه می‌رسد.

کاربرد در شیمی سبز و انرژی

یکی از دلایل اهمیت کار آرنولد، امکان استفاده از آنزیم‌ها برای جایگزین‌کردن فرایندهای شیمیایی پرخطر یا آلاینده است. واکنش‌های صنعتی معمولاً به دما و فشار زیاد، حلال‌های سمی یا فلزات سنگین نیاز دارند. آنزیم‌های تکامل‌یافته می‌توانند برخی از همین واکنش‌ها را در شرایط ملایم‌تر انجام دهند و مصرف انرژی و تولید پسماند سمی را کاهش دهند.

گروه آرنولد آنزیم‌هایی برای تبدیل مواد گیاهی به سوخت‌ها و مواد شیمیایی بررسی کرده است. در سال ۲۰۰۹، او و همکارانش آنزیم‌هایی را برای تجزیهٔ سلولز، مادهٔ اصلی دیوارهٔ سلول‌های گیاهی، مهندسی کردند. این کار می‌تواند به تبدیل ضایعات کشاورزی به سوخت زیستی و مواد شیمیایی کمک کند.

آنزیم‌های تکامل‌یافته در تولید داروها، مواد کشاورزی، مواد شوینده و محصولات کاغذی نیز به کار رفته‌اند. همچنین، این روش به پژوهشگران امکان داده است باکتری‌هایی بسازند که ترکیباتی را تولید کنند که در مسیرهای طبیعی زیستی وجود ندارند. نمونه‌هایی از این پژوهش‌ها به ایجاد پیوندهای سیلیکون-کربن و بور-کربن در سلول‌های زنده مربوط است.

طراحی مولکول‌های جدید با کمک تکامل

آرنولد نشان داد که تکامل هدایت‌شده فقط برای بهبود یک آنزیم طبیعی به کار نمی‌رود. با انتخاب مناسب و تکرار چرخه‌های آزمایش، می‌توان دامنهٔ واکنش‌هایی را که یک آنزیم انجام می‌دهد گسترش داد. این امر به شیمی‌دانان اجازه می‌دهد از زیست‌شناسی برای ساخت مواد و ترکیبات جدید استفاده کنند.

در این رویکرد، سلول‌های زنده مانند کارخانه‌های کوچک شیمیایی عمل می‌کنند. ژن‌های مربوط به آنزیم‌های مطلوب در سلول قرار می‌گیرند و سلول، پروتئین را تولید می‌کند. اگر آنزیم واکنش موردنظر را به‌خوبی انجام دهد، نسخهٔ ژنتیکی آن برای مرحلهٔ بعدی انتخاب می‌شود. نتیجه می‌تواند فرایندی باشد که مواد کمتری مصرف می‌کند و پسماند کمتری به وجود می‌آورد.

این دیدگاه، مرز میان مهندسی و زیست‌شناسی را تغییر داد. به جای آن‌که طبیعت فقط موضوع مطالعه باشد، می‌توان از فرایندهای طبیعی به‌عنوان ابزار طراحی استفاده کرد. به همین دلیل، تکامل هدایت‌شده در زیست‌شناسی مصنوعی و مهندسی زیستی جایگاه مهمی پیدا کرده است.

جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۸

آکادمی سلطنتی علوم سوئد در ۳ اکتبر ۲۰۱۸ اعلام کرد که نیمی از جایزهٔ نوبل شیمی به فرانسیس آرنولد تعلق می‌گیرد. نیمهٔ دیگر به‌طور مشترک به جورج اسمیت و گرگوری وینتر برای توسعهٔ نمایش فاژی پپتیدها و پادتن‌ها اهدا شد. انگیزهٔ جایزهٔ آرنولد «برای تکامل هدایت‌شدهٔ آنزیم‌ها» بود.

آرنولد نخستین زن آمریکایی بود که جایزهٔ نوبل شیمی را دریافت کرد. او پیش از نوبل نیز جوایز مهمی از جمله مدال ملی فناوری و نوآوری، جایزهٔ فناوری هزاره و جایزهٔ دریپر را دریافت کرده بود. او همچنین عضو آکادمی ملی مهندسی، آکادمی ملی پزشکی و آکادمی ملی علوم ایالات متحده است.

کمیتهٔ نوبل استفادهٔ آرنولد از قدرت تکامل را نمونه‌ای از تبدیل یک اصل بنیادی زیستی به فناوری مفید دانست. آنزیم‌های تولیدشده با روش او در ساخت مواد دارویی و سوخت‌های تجدیدپذیر به کار رفته‌اند و راه‌هایی برای تولید شیمیایی سازگارتر با محیط زیست فراهم کرده‌اند.

دیدگاه دربارهٔ محیط زیست و علم

آرنولد بارها بر نقش علم و فناوری در کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی تأکید کرده است. او معتقد است که جایگزین‌های پاک‌تر زمانی گسترده می‌شوند که از نظر اقتصادی نیز امکان رقابت داشته باشند. در پژوهش‌های او، شیمی سبز فقط به کاهش آلودگی محدود نیست؛ هدف، ایجاد فرایندهایی است که از ابتدا مواد و انرژی کمتری مصرف کنند.

تکامل هدایت‌شده چنین امکانی را فراهم می‌کند، زیرا آنزیم‌ها می‌توانند در دمای پایین و در آب فعالیت کنند. این ویژگی‌ها در صورت جایگزین‌شدن با فرایندهای صنعتی پرانرژی، می‌تواند به کاهش مصرف سوخت و تولید پسماند کمک کند.

موضع دربارهٔ مقاومت ایران

نام فرانسیس آرنولد در بیانیه‌ای که شورای ملی مقاومت ایران منتشر کرد که در آن ۱۰۶ تن از برندگان جایزه نوبل از رشته‌های مختلف شیمی، فیزیک، ادبیات، صلح و اقتصاد به چشم می‌خورد.

این بیانیه به ابتکار مریم رجوی، رئیس‌جمهور برگزیده شورای ملی مقاومت ایران، تدوین و امضا گردید و شدیدترین محکومیت نخبگان جهانی علیه سرکوب و نقض فاحش حقوق‌بشر توسط رژیم جمهوری اسلامی را به همراه داشت.

امضاکنندگان، رژیم ایران را «دیکتاتوری دینی» خواندند و سرکوب سیستماتیک، اعدام‌های گسترده (بیش از ۲۲۰۰ اعدام تنها در سال ۲۰۲۵)، شکنجه و جنایات علیه بشریت را محکوم کردند.

آن‌ها از قیام مردم ایران برای آزادی، عدالت اجتماعی و استقرار یک جمهوری دموکراتیک، کثرت‌گرا و عاری از فساد حمایت کردند. آنها تأکید نمودند که مردم ایران هرگونه دیکتاتوری، چه سلطنتی و چه مذهبی، را رد کرده‌اند.

امضاکنندگان همچنین از رهبران کشورهای متمدن جهان خواستند با حمایت از قیام مردم ایران، به پیوستن ایران به جامعه ملت‌های دموکراتیک یاری رسانند.