211service.com
Een betere chemische fabriek bouwen - uit microben
Sasha Israel
Metabolische ingenieurs hebben een probleem: cellen zijn egoïstisch. De wetenschappers willen microben gebruiken om chemische verbindingen te produceren voor industriële toepassingen. De microben concentreren zich liever op hun eigen groei.
Kristala L. Jones Prather ’94 heeft een tool bedacht die aan beide tegenstrijdige doelstellingen voldoet. Haar metabolietklep werkt als een treinschakelaar: het detecteert wanneer een celcultuur voldoende heeft gereproduceerd om zichzelf in stand te houden en stuurt vervolgens de metabole flux - de beweging van moleculen in een pad - langs het pad dat de gewenste verbinding synthetiseert. Het resultaat: meer opbrengst van het product en voldoende celgroei om de kweek gezond en productief te houden.
William E. Bentley, een professor in bio-engineering aan de Universiteit van Maryland, volgt Prathers werk al meer dan twee decennia. Hij noemt de kleppen een nieuw principe in de techniek waarvan hij verwacht dat het zeer gewaardeerd zal worden in de onderzoeksgemeenschap. Hun vermogen om knelpunten te elimineren kan zo essentieel zijn voor diegenen die proberen een bepaald molecuul in bruikbare hoeveelheden te synthetiseren dat het in veel gevallen zou kunnen beslissen of het een succesvolle onderneming is of niet, zegt Bentley.
Prather, Arthur D. Little Professor of Chemical Engineering van MIT, werkt op het snijvlak van synthetische biologie en metabolic engineering: een plek waar wetenschap, in plaats van kunst, het leven imiteert. De kleppen spelen een belangrijke rol in haar grotere doel om microben te programmeren - voornamelijk E coli —chemicaliën te produceren die op een groot aantal gebieden kunnen worden gebruikt, waaronder energie en medicijnen. Dat doet ze door te observeren wat de natuur allemaal kan. Vervolgens stelt ze een hypothese voor wat het zou moeten kunnen doen met een assist van strategisch ingevoegd DNA.
We vergroten de synthetische capaciteit van biologische systemen, zegt Prather, die in 2007 de TR35-lijst van MIT Technology Review maakte. We moeten verder gaan dan wat biologie van nature kan doen en het zover krijgen dat het verbindingen maakt die het normaal niet maakt.
Prather beschrijft haar werk als het creëren van een nieuw soort chemische fabriek in microbiële cellen - een fabriek die op efficiënte wijze ultrazuivere verbindingen maakt. Het overhalen van microben om gewenste verbindingen te produceren is veiliger en milieuvriendelijker dan te vertrouwen op traditionele chemische synthese, die doorgaans gepaard gaat met hoge temperaturen, hoge drukken en gecompliceerde instrumentatie - en vaak giftige bijproducten. Ze kwam niet op het idee om microben in chemische fabrieken te veranderen, maar haar laboratorium staat bekend om het ontwikkelen van tools en het verfijnen van processen die het efficiënt en praktisch maken.
Dat is de benadering die ze heeft gevolgd met glucarzuur, dat meerdere commerciële toepassingen heeft, waarvan sommige groen. Waterzuiveringsinstallaties, bijvoorbeeld, vertrouwen al lang op fosfaten om corrosie in leidingen te voorkomen en om zich te binden met metalen zoals lood en koper, zodat ze niet in de watertoevoer terechtkomen. Maar fosfaten voeden ook algenbloei in meren en oceanen. Glucarinezuur doet hetzelfde werk als fosfaten zonder die giftige bloemen te voeden.
SASHA ISRAELHet produceren van glucarinezuur op de gebruikelijke manier - door chemische oxidatie van glucose - is duur, levert vaak een product op dat niet erg zuiver is en zorgt voor veel gevaarlijk afval. De microbiële fabrieken van Prather produceren het met een hoge mate van zuiverheid en zonder de giftige bijproducten, tegen een redelijke prijs. Ze was in 2011 medeoprichter van de startup Kalion om haar microbiële fabrieksbenadering in de praktijk te brengen. (Prather is de chief science officer van Kalion. Haar man, Darcy Prather '91, is de president.)
Het bedrijf, dat in Slowakije grootschalig gaat produceren, heeft meerdere potentiële klanten. Hoewel de grootste daarvan in de oliediensten zitten, blijkt ook dat, op de wonderbaarlijke, gekke manier waarop de chemie werkt, dezelfde verbinding wordt gebruikt in de farmaceutische productie, zegt Prather. Het is bijvoorbeeld nodig bij de productie van het ADHD-medicijn Adderall. En het kan worden gebruikt om textiel sterker te maken, wat kan leiden tot een effectievere recycling van katoen en andere natuurlijke materialen.
Het eerste doelwit van Kalion zijn fosfaten, vanwege hun onmiddellijke commerciële toepassingen. Maar in haar bredere onderzoek heeft Prather ook een grote schot in de roos op aardolie getrokken. Omdat ze graag groenere alternatieven voor benzine en plastic wil produceren, gebruiken zij en haar onderzoeksgroep aan het MIT bacteriën om moleculen te synthetiseren die normaal gesproken uit aardolie zouden worden gewonnen. Als we succesvol zijn, zegt Prather, zijn we bezig de dingen één voor één van de plank te halen om te zeggen: 'Dat wordt niet langer gemaakt van aardolie. Dat wordt nu gemaakt van biomassa.’
Van Oost-Texas naar MIT
Prather, geboren in Cincinnati, groeide op in Longview, Texas, tegen een achtergrond van olieveldpompen en boortorens. Haar vader stierf voordat ze twee werd. Haar moeder werkte op Wylie College, een kleine, historisch zwarte school – en behaalde daar in 2004 zelf een bachelordiploma, voegt Prather er snel aan toe.
Prather, de eerste gekleurde afscheidsdocent van haar middelbare school, had alleen vage ideeën over academische en professionele kansen buiten haar staat. Toen in haar eerste jaar schoolbrochures de mailbox van het gezin overspoelden, vroeg ze advies aan een geschiedenisleraar. Wiskunde was mijn favoriete vak op de middelbare school en ik vond scheikunde leuk, zegt Prather. De leraar vertelde haar dat wiskunde plus scheikunde gelijk was aan scheikundige technologie, en dat als ze ingenieur wilde worden, ze naar het MIT moest gaan. Wat is MIT? vroeg Prater.
Anderen in de gemeenschap waren niet beter geïnformeerd. Wat toen het DeVry Institute of Technology was, een school met winstoogmerk met een niet al te beste academische reputatie en campussen in het hele land, maakte veel reclame op televisie. Toen ze mensen vertelde dat ze naar MIT ging, namen ze aan dat het een DeVry-vestiging in Massachusetts was. Ze waren teleurgesteld, omdat ze dachten dat ik geweldige dingen ging doen, zegt Prather. Maar hier ging ik naar deze vakschool om loodgietersassistent te worden.
In juni 1990 arriveerde Prather op de campus om deel te nemen aan Interphase, een programma aangeboden door MIT's Office of Minority Education. Interphase was ontworpen om de overgang voor inkomende studenten te vergemakkelijken en was een game-changer, zegt Prather. Het programma introduceerde haar bij een hechte vriendengroep en maakte haar vertrouwd met de campus. Het belangrijkste was dat het vertrouwen wekte. Prather, die van een school zonder AP-lessen kwam, had zich zorgen gemaakt dat hij achter de feiten aan zou lopen. Toen ze ontdekte dat ze de stof kende in haar wiskundeles in Interphase, was dat een opluchting. Toen ik me verveelde, dacht ik: 'Ik hoor hier thuis', zegt ze.
Als student werd Prather blootgesteld aan bioprocestechnologie, waarbij levende cellen worden gebruikt om gewenste chemische of fysieke veranderingen in een materiaal teweeg te brengen. In die tijd behandelden wetenschappers de cellen waaruit het proces begint als iets vaststaands. Prather raakte geïntrigeerd door het idee dat je niet alleen het proces maar ook de biologie van de cel zelf kon ontwerpen. De manier waarop je DNA kon kopiëren en knippen en plakken sprak het deel van mij aan dat van wiskunde hield, zegt ze.
Prather besloot een verblijf in
de bedrijfswereld zou het risico verkleinen dat haar academische carrière zou worden verbannen naar de realiteit van de wereld.
Na haar afstuderen in 1994 promoveerde Prather aan de University of California, Berkeley, waar haar adviseur Jay Keasling was, een professor in chemische en biomoleculaire engineering die voorop liep op het nieuwe gebied van synthetische biologie. In Berkeley zocht Prather naar manieren om DNA in en uit cellen te verplaatsen om de aanmaak van gewenste eiwitten te optimaliseren.
De praktijk in die tijd was om cellen op te stapelen met veel DNA, dat op zijn beurt veel eiwitten zou produceren, wat veel van de gewenste chemische verbinding zou genereren. Maar er was een probleem, dat Prather - die in de buurt van een schilderachtig staatspark woont - uitlegt met een lokale analogie. Ik kan een lichte wandeling maken in het Blue Hills-reservaat, zegt ze, maar niet als je een pak van 50 pond op mijn rug legt. Evenzo kan een overbelaste cel soms reageren door te zeggen: 'Ik ben te moe.' Prathers proefschrift onderzocht systemen die op een efficiënte manier veel van een gewenste chemische stof produceren met minder DNA.
In haar vierde jaar op Berkeley ontving Prather een beurs van DuPont en reisde naar Delaware voor haar eerste volledige presentatie. In navolging van de gebruikelijke congrespraktijk legde ze voor haar publiek de drie motivaties uit die aan haar onderzoek ten grondslag liggen. Naderhand legde een van de wetenschappers van het bedrijf haar beleefd uit waarom ze alle drie misleid waren. Hij zei: 'Wat je doet is interessant en belangrijk, maar je wordt gemotiveerd door wat je belangrijk vindt in de industrie', zegt Prather. 'En we geven gewoon niet om al die dingen.'
Nederig besloot Prather dat een verblijf in het bedrijfsleven het risico zou verkleinen dat haar academische carrière zou worden overgeleverd aan irrelevantie in de echte wereld. Ze bracht de volgende vier jaar door bij Merck, in een groep die processen ontwikkelde om zaken als therapeutische eiwitten en vaccins te maken. Daar leerde ze over de soorten projecten en problemen die het belangrijkst zijn voor beoefenaars zoals haar DuPont-recensent.
Merck had hordes chemici in dienst om grote hoeveelheden chemische verbindingen te produceren voor gebruik in nieuwe medicijnen. Als een deel van dat proces beter geschikt leek voor biologie dan voor scheikunde, gaven ze het over aan de afdeling waar Prather werkte, die enzymen gebruikte om de volgende stap uit te voeren. Het waren doorgaans niet erg ingewikkelde reacties, zegt Prather. Een enkele stap om A naar B te converteren.
Prather was geïntrigeerd door de mogelijkheid om niet alleen individuele stappen uit te voeren, maar de volledige chemische synthese in cellen, met behulp van ketens van reacties die metabole routes worden genoemd. Dat werk inspireerde wat een van haar meest geprezen onderzoek aan het MIT zou worden, waar ze in 2004 bij de faculteit kwam.
De productieschakelaar vinden
Het duurde niet lang na haar terugkeer naar MIT dat deze jonge vrouw uit het olieveld in Texas zich richtte op fossiele brandstoffen en hun bijproducten. Veel van de projecten van haar lab zijn gericht op het vervangen van aardolie als grondstof. In een samenwerking met MIT-collega's Brad Olsen '03, een chemisch ingenieur, en Desiree Plata, PhD '09, een civiel en milieu-ingenieur, gebruikt Prather biomassa om hernieuwbare polymeren te maken die zouden kunnen leiden tot een groener soort plastic. Haar laboratorium zoekt uit hoe microben ertoe kunnen worden gebracht suiker uit planten om te zetten in monomeren die vervolgens chemisch kunnen worden omgezet in polymeren om plastic te maken. Aan het einde van de bruikbare levensduur van het plastic wordt het biologisch afgebroken en weer omgezet in voedingsstoffen. Die voedingsstoffen geven je meer planten waaruit je meer suiker kunt halen die je kunt omzetten in nieuwe chemicaliën om in nieuwe plastics te gaan, zegt Prather. Het is de cirkel van het leven daar.
Tegenwoordig trekt ze de meeste aandacht voor haar onderzoek naar het optimaliseren van metabole routes - onderzoek dat zij en andere wetenschappers vervolgens kunnen gebruiken om de opbrengst van een gewenst product te maximaliseren.
De uitdaging is dat cellen prioriteit geven aan het gebruik van voedingsstoffen, zoals glucose, om te groeien in plaats van om deze gewenste verbindingen te produceren. Meer groei voor de cel betekent minder product voor de wetenschapper. Je loopt dus tegen een concurrentieprobleem aan, zegt Prather.
Neem glucarinezuur, de chemische stof die wordt geproduceerd door het bedrijf van Prather - en een die volgens Keasling buitengewoon belangrijk is voor de industrie. (Deze moleculen zijn niet triviaal om te produceren, vooral niet op de niveaus die industrieel nodig zijn, zegt hij.) Prather en haar laboratorium hadden drie genen toegevoegd - afkomstig van muizen, gist en een bacterie - om E coli , waardoor de bacteriën een soort enkelvoudige suiker kunnen omzetten in glucarinezuur. Maar de bacteriën hadden die suiker ook nodig voor een metabolische route die glucose afbreekt om zijn eigen groei en voortplanting te voeden.
Het team van Prather wilde het pad dat de groei voedt afsluiten en de suiker omleiden naar een pad dat glucarinezuur produceert, maar pas nadat de bacteriecultuur voldoende was gegroeid om zichzelf als een productieve chemische fabriek in stand te houden. Hiervoor gebruikten ze quorum sensing, een soort communicatie waarmee bacteriën informatie delen over veranderingen in het aantal cellen in hun kolonie, waardoor ze kolonie-brede functies zoals genregulatie kunnen coördineren. Het team ontwikkelde elke cel om een eiwit te produceren dat vervolgens een molecuul creëert dat AHL wordt genoemd. Wanneer quorum sensing een bepaalde hoeveelheid AHL detecteert - de hoeveelheid die wordt geproduceerd in de tijd die de kweek nodig heeft om een duurzame grootte te bereiken - activeert het een schakelaar die de productie van een enzym uitschakelt dat deel uitmaakt van het glucoseafbraakproces. De glucose verschuift naar de chemische syntheseroute, waardoor de geproduceerde hoeveelheid glucarinezuur aanzienlijk toeneemt.
De schakelaars van Prather, metabolietkleppen genoemd, worden nu gebruikt in processen die microben gebruiken om een breed scala aan gewenste chemicaliën te produceren. De kleppen openen of sluiten als reactie op veranderingen in de dichtheid van bepaalde moleculen in een route. Deze schakelaars kunnen nauwkeurig worden afgesteld om de productie te optimaliseren zonder de gezondheid van de bacteriën in gevaar te brengen, waardoor de output drastisch wordt verhoogd. Het paradepaardje van de onderzoekers, dat in 2017 werd gepubliceerd in Nature Biology, is bijna 200 keer geciteerd. Het doel op dit punt is om de schaal op te voeren.
Zoals veel van de mechanismen die Prather in haar onderzoek gebruikt, bestaan dergelijke schakelaars al in de biologie. Cellen waarvan de hulpbronnen worden bedreigd door naburige vreemde cellen, zullen overschakelen van de groeimodus naar het produceren van antibiotica om bijvoorbeeld hun concurrenten te doden. Cellen die dingen als antibiotica maken, hebben een natuurlijke manier om eerst meer van zichzelf te maken en vervolgens hun middelen te gebruiken om producten te maken, zegt ze. We ontwikkelden een synthetische manier om de natuur na te bootsen.
Prather's Berkeley-adviseur, Keasling, heeft een afgeleide van de schakelaar gebruikt, geïnspireerd door haar onderzoek. Het hulpmiddel voor het kanaliseren van metabolische flux - de stroom van materiaal door een metabolisch pad - is superbelangrijk werk waarvan ik denk dat het in de toekomst veel zal worden gebruikt door metabole ingenieurs, zegt hij. Als Kristala iets publiceert, weet je dat het gaat werken.
Begeleiden van jonge wetenschappers
Prather krijgt minstens evenveel erkenning voor haar onderwijs en mentoring als voor haar onderzoek. Ze geeft veel om onderwijs en zet zich in voor haar leerlingen op een manier die echt opvalt, zegt Keasling. Studenten beschrijven haar optimisme en steun en zeggen dat ze motiveert zonder te bevelen. Ze creëerde een omgeving waarin ik vrij was om mijn eigen fouten te maken en te leren en te groeien, zegt Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, die tussen 2007 en 2012 bij Prather studeerde en nu een assistent-professor chemische en biomedische ingenieurswetenschappen aan de Universiteit van Delaware. In sommige andere labs, merkt hij op, heb je harde deadlines, en je presteert of je raakt in paniek.
Het was bij Merck dat Prather zich realiseerde hoeveel ze ervan houdt om met jonge wetenschappers te werken - en het was ook de plek waar ze het managementarsenaal verzamelde dat ze gebruikt om haar lab te runnen. Zo zorgt ze er bijvoorbeeld voor dat ze de voorkeuren van elke student over communicatiestijl leert kennen, want iedereen eerlijk behandelen is niet hetzelfde als iedereen gelijk behandelen, zegt ze. Een-op-eengesprekken beginnen met een paar minuten chatten over algemene onderwerpen, zodat Prather de gemoedstoestanden van de studenten kan doorgronden en ervoor kan zorgen dat alles in orde is. Ze stelt duidelijke normen, met als doel de onzekerheid over verwachtingen die gebruikelijk is in academische laboratoria te vermijden. En als studenten hun zorgen uiten, is het belangrijk om te documenteren en te bevestigen dat ze zijn gehoord, zegt ze.
De meest effectieve leiders modelleren het gedrag dat ze bij anderen willen zien. Prather, die in 2017 de Martin Luther King Leadership Award van het MIT ontving, verwacht inzet en hoge prestaties van haar afstudeerders en postdocs, maar niet ten koste van hun fysieke of mentale gezondheid. Ze ontmoedigt het werken in het weekend - voor zover dat mogelijk is in de biologie - en staat erop dat lableden vakantie nemen. En vanaf het begin heeft ze aangetoond dat het mogelijk is om tegelijkertijd eersteklas wetenschap te doen en een persoonlijk leven te leiden.
Prather neemt contact op met student chemische technologie K'yal Bannister, die trajecten ontwerpt voor het project om hernieuwbare monomeren te produceren.
SASHA ISRAELDe twee dochters van Prather waren allebei campuskinderen. Ze was 31, had een baby van twee maanden toen ze bij de faculteit kwam, en ze zou haar dochter in haar kantoor verzorgen voordat ze haar achterliet in de nieuwe babyopvang van het Instituut. Later zette ze een kleine tafel en stoelen bij haar bureau als speelruimte. De kinderen hebben haar vergezeld op werkreizen - Prather en haar man keken om de beurt naar hen toen ze klein waren - en gingen vaak naar de avond- en weekendevenementen van hun moeder. Prather herinnert zich dat hij opdook voor een presentatie in 32-123 met beide kinderen op sleeptouw en hen klaarmaakte met snacks op de eerste rij. Mijn dochter liet prompt de marinarasaus bij haar mozzarella-sticks op de grond vallen, zegt ze. Ik was 15 minuten voordat ik een lezing hield op handen en knieën rode saus aan het opvegen.
Prather stelt wel grenzen. Ze slaat bijna elke uitnodiging af voor vrijdagavond, wat tijd voor het gezin is. Reizen zijn beperkt tot twee per maand en ze zal niet reizen op de verjaardag van een familielid of op haar jubileum. Maar ze verwelkomt ook studenten bij haar thuis, waar ze barbecues en Thanksgiving-diners organiseert voor iedereen die geen plek heeft om naartoe te gaan. Ik breng ze in mijn huis en in mijn leven, zegt ze.
Toen Solomon de leerling van Prather was, ontving ze zelfs zijn ouders. Die gastvrijheid bleef ook na zijn afstuderen, toen hij en zijn moeder zijn voormalige professor tegenkwamen op een conferentie in Duitsland. Ze hield mijn moeder genadig bezig omdat ze wist dat ik aan het netwerken was om mijn carrière vooruit te helpen, zegt Solomon.
Het was een daad die in overeenstemming was met de prioriteiten van Prather. Naast de innovaties, de ontdekkingen, is haar overkoepelende doel het creëren van onafhankelijk succesvolle wetenschappers. Het belangrijkste wat we als wetenschappers doen, is het opleiden van studenten en postdocs, zegt ze. Als je studenten goed zijn opgeleid en klaar om kennis te vergroten - zelfs als het ding waar we aan werken nergens toe leidt - is dat voor mij een overwinning.
Over zwart zijn op MIT
Getuigen van racisme
Als student aan het MIT was Kristala Jones Prather '94 nooit het doelwit van racistisch gedrag. Maar ze zegt dat andere zwarte studenten niet zoveel geluk hadden. Hoewel niemand haar rechtstreeks uitdaagde, was er een algemene sfeer op de campus die de geldigheid van mijn bestaan in twijfel trok, zegt ze. Artikelen in The Tech beweerden dat positieve actie de kwaliteit van de studentenpool verwaterde.
Tijdens haar eerste jaar gooide een groep die op het dak van een studentenkamer stond racistische opmerkingen naar zwarte studenten die terugliepen naar hun studentenhuis. Als reactie daarop werkten Prather en een andere student samen met Clarence G. Williams, HM '09, speciale assistent van de president, om een documentaire te produceren genaamd Het is intuïtief duidelijk over de ervaring van zwarte studenten aan het MIT.
Ik was betrokken bij veel activisme om een klimaat te creëren waarin studenten niet hoefden te worden onderworpen aan het idee dat MIT liefdadigheid deed, zegt Prather. Het was eerder een kans voor studenten die hadden laten zien dat ze de instelling trots konden vertegenwoordigen.
Prathers beslissing om terug te keren naar MIT als faculteitslid was moeilijk, deels omdat haar zwarte voormalige klasgenoten, van wie velen openlijk racisme hadden ervaren, hun eigen kinderen ontmoedigden om aanwezig te zijn. Ze maakte zich ook zorgen dat ze deze keer persoonlijke aanvallen niet zou kunnen vermijden. Ik wilde niet dat alle positieve gevoelens die ik had over MIT verpest zouden worden, zegt ze.
Die vrees bleek ongegrond. Prather zegt dat ze enorme steun heeft gekregen van haar afdelingshoofd en collega's, evenals overvloedige leiderschapskansen. Maar ze erkent dat niet al haar leeftijdsgenoten hetzelfde kunnen zeggen. Ze is voorzichtig optimistisch over het huidige diversiteitsinitiatief van het Instituut. We boeken vooruitgang, zegt ze. Ik wacht om te zien of er een echt commitment is om een omgeving te creëren waarin studenten van kleur het gevoel kunnen hebben dat het Instituut een thuis voor hen is.