211service.com
Bygga en bättre kemisk fabrik — av mikrober
Sasha Israel
Metaboliska ingenjörer har ett problem: celler är själviska. Forskarna vill använda mikrober för att producera kemiska föreningar för industriella tillämpningar. Mikroberna föredrar att koncentrera sig på sin egen tillväxt.
Kristala L. Jones Prather '94 har tagit fram ett verktyg som uppfyller båda motstridiga målen. Hennes metabolitventil fungerar som en tågväxel: den känner av när en cellkultur har reproducerat sig tillräckligt för att upprätthålla sig själv och omdirigerar sedan metaboliskt flöde - rörelsen av molekyler i en väg - nerför spåret som syntetiserar den önskade föreningen. Resultaten: större utbyte av produkten och tillräcklig celltillväxt för att hålla kulturen frisk och produktiv.
William E. Bentley, professor i bioteknik vid University of Maryland, har följt Prathers arbete i mer än två decennier. Han kallar ventilerna för en ny princip inom tekniken som han räknar med kommer att uppskattas högt i forskarvärlden. Deras förmåga att eliminera flaskhalsar kan visa sig vara så avgörande för dem som försöker syntetisera en viss molekyl i användbara kvantiteter att det i många fall kan avgöra om det är en framgångsrik strävan eller inte, säger Bentley.
Prather, MIT:s Arthur D. Little Professor of Chemical Engineering, arbetar inom de skärande områdena syntetisk biologi och metabolisk ingenjörskonst: en plats där vetenskap, snarare än konst, imiterar livet. Ventilerna spelar en viktig roll i hennes större mål att programmera mikrober - främst E coli —att producera kemikalier som kan användas inom en lång rad områden, inklusive energi och medicin. Det gör hon genom att observera vad naturen kan göra. Sedan antar hon vad den ska kunna göra med en assist från strategiskt insatt DNA.
Vi ökar den syntetiska kapaciteten hos biologiska system, säger Prather, som gjorde MIT Technology Reviews TR35-lista 2007. Vi måste gå bortom vad biologin naturligt kan göra och börja få den att göra föreningar som den normalt inte gör.
Prather beskriver sitt arbete som att skapa en ny typ av kemisk fabrik inuti mikrobiella celler - en som gör ultrarena föreningar effektivt i stor skala. Att locka mikrober till att producera önskade föreningar är säkrare och mer miljövänligt än att förlita sig på traditionell kemisk syntes, som vanligtvis involverar höga temperaturer, höga tryck och komplicerad instrumentering - och ofta giftiga biprodukter. Hon kom inte på idén att förvandla mikrober till kemiska fabriker, men hennes labb är känt för att utveckla verktyg och finjustera processer som gör det effektivt och praktiskt.
Det är det tillvägagångssätt hon har tagit med glukarsyra, som har flera kommersiella tillämpningar, några av dem gröna. Vattenreningsverk har till exempel länge förlitat sig på fosfater för att förhindra korrosion i rör och för att binda med metaller som bly och koppar så att de inte läcker ut i vattenförsörjningen. Men fosfater föder även algblomningar i sjöar och hav. Glukarsyra gör samma arbete som fosfater utan att mata de giftiga blommorna.
SASHA ISRAELAtt producera glukarsyra på vanligt sätt - genom kemisk oxidation av glukos - är dyrt, ger ofta en produkt som inte är särskilt ren och skapar mycket farligt avfall. Prathers mikrobiella fabriker producerar det med höga nivåer av renhet och utan de giftiga biprodukterna, till en rimlig kostnad. Hon var med och grundade startupen Kalion 2011 för att omsätta sin metod för mikrobiella fabriker i praktiken. (Prather är Kalions chief science officer. Hennes man, Darcy Prather '91, är dess president.)
Företaget, som ställer upp storskalig produktion i Slovakien, har flera potentiella kunder. Även om de största av dessa finns inom oljetjänster, visar det sig också, på det underbara, knäppa sättet som kemin fungerar, att samma förening används i läkemedelstillverkning, säger Prather. Det krävs till exempel vid produktion av ADHD-läkemedlet Adderall. Och det kan användas för att göra textilier starkare, vilket kan leda till effektivare återvinning av bomull och andra naturmaterial.
Kalions första mål är fosfater, på grund av deras omedelbara kommersiella tillämpningar. Men i sin bredare forskning har Prather också dragit ett stort öga på petroleum. Ivriga att producera grönare alternativ till bensin och plast använder hon och hennes forskargrupp vid MIT bakterier för att syntetisera molekyler som normalt skulle härröra från petroleum. Övergripande bild, om vi är framgångsrika, säger Prather, är det vi gör att flytta saker en efter en från hyllan för att säga: 'Det är inte längre tillverkat av petroleum. Det är nu gjort av biomassa.'
Från östra Texas till MIT
Prather, född i Cincinnati, växte upp i Longview, Texas, mot en bakgrund av oljefältspumpar och borrtorn. Hennes pappa dog innan hon fyllde två. Hennes mamma arbetade på Wylie College, en liten, historiskt svart skola – och tog själv en kandidatexamen där 2004, säger Prather snabbt.
Hennes gymnasieskolas första färgvaledictorian, Prather, hade bara vaga idéer om akademiska och professionella möjligheter utanför hennes stat. Med collegebroschyrer som svämmade över familjens brevlåda under hennes yngre år, sökte hon råd från en historielärare. Matte var mitt favoritämne på gymnasiet och jag gillade kemi, säger Prather. Läraren sa till henne att matematik plus kemi var lika med kemiteknik, och att om hon ville bli ingenjör borde hon gå till MIT. Vad är MIT? frågade Prather.
Andra i samhället var inte bättre informerade. Det som då var DeVry Institute of Technology, en vinstdrivande skola med ett mindre än fantastiskt akademiskt rykte och campus runt om i landet, reklamerade hårt på tv. När hon berättade för folk att hon skulle till MIT antog de att det var en DeVry-filial i Massachusetts. De blev besvikna, för de trodde att jag skulle göra fantastiska saker, säger Prather. Men här skulle jag till den här handelsskolan för att bli rörmokareassistent.
I juni 1990 anlände Prather till campus för att delta i Interphase, ett program som erbjuds genom MIT:s Office of Minority Education. Designad för att underlätta övergången för inkommande studenter, Interphase var en spelomvandlare, säger Prather. Programmet introducerade henne för en bestående grupp vänner och gjorde henne bekant med campus. Viktigast, det ingav förtroende. Prather kom från en skola utan AP-klasser och hade oroat sig för att börja bakom kurvan. När hon upptäckte att hon kunde materialet i sin Interphase-matteklass kom det som en lättnad. När jag hade tråkigt tänkte jag att jag hör hemma här, säger hon.
Som student exponerades Prather för bioprocessteknik, som använder levande celler för att inducera önskade kemiska eller fysiska förändringar i ett material. På den tiden behandlade forskare cellerna som processen startar från som något fixat. Prather blev fascinerad av tanken att man kunde konstruera inte bara processen utan också biologin i själva cellen. Sättet man kunde kopiera och klippa och klistra in DNA tilltalade den del av mig som gillade matematik, säger hon.
Prather bestämde sig för en vistelse
företagsvärlden skulle minska risken för att hennes akademiska karriär skulle överlämnas till verklig irrelevans.
Efter examen 1994 tog Prather sin doktorsexamen vid University of California, Berkeley, där hennes rådgivare var Jay Keasling, en professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst som låg i framkanten inom det nya området syntetisk biologi. På Berkeley sökte Prather sätt att flytta DNA in och ut ur celler för att optimera skapandet av önskvärda proteiner.
Praxis på den tiden var att bulka upp celler med massor av DNA, vilket i sin tur skulle producera massor av protein, vilket skulle generera massor av den önskade kemiska föreningen. Men det fanns ett problem som Prather – som bor nära en naturskön delstatspark – förklarar med en lokal analogi. Jag kan gå en lätt vandring i Blue Hills Reservation, säger hon, men inte om du lägger en 50-kilos packning på min rygg. På liknande sätt kan en överbelastad cell ibland svara genom att säga: 'Jag är för trött.' Prathers doktorsavhandling utforskade system som effektivt producerar mycket av en önskad kemikalie med mindre DNA.
Under sitt fjärde år på Berkeley fick Prather ett stipendium från DuPont och reste till Delaware för sin första fullängdspresentation. I enlighet med standardpraxis för konferenser, presenterade hon för sin publik de tre motiven bakom hennes forskning. Efteråt förklarade en av företagets forskare artigt för henne varför alla tre var vilseledda. Han sa: 'Det du gör är intressant och viktigt, men du motiveras av det du tycker är viktigt i industrin', säger Prather. 'Och vi bryr oss helt enkelt inte om något av det där.'
Ödmjuk bestämde Prather sig för att en vistelse i företagsvärlden skulle minska risken för att hennes akademiska karriär skulle överlämnas till verklig irrelevans. Hon tillbringade de kommande fyra åren på Merck, i en grupp som utvecklade processer för att göra saker som terapeutiska proteiner och vacciner. Där lärde hon sig om de typer av projekt och problem som betyder mest för utövare som hennes DuPont-kritiker.
Merck anställde horder av kemister för att producera stora mängder kemiska föreningar för användning i nya läkemedel. När en del av den processen verkade vara bättre lämpad för biologi än för kemi, lämnade de den till avdelningen Prather arbetade på, som använde enzymer för att utföra nästa steg. Det var vanligtvis inte särskilt komplicerade reaktioner, säger Prather. Ett enda steg som konverterar A till B.
Prather var fascinerad av möjligheten att utföra inte bara enskilda steg utan hela den kemiska syntesen i celler, med hjälp av reaktionskedjor som kallas metabola vägar. Det arbetet inspirerade vad som skulle bli några av hennes mest hyllade forskning vid MIT, där hon började på fakulteten 2004.
Att hitta produktionsväxeln
Det dröjde inte länge efter att hon återvänt till MIT som den här unga kvinnan från Texas oljefält tog sikte på fossila bränslen och deras biprodukter. Många av hennes labbs projekt fokuserar på att ersätta petroleum som råvara. I ett – ett samarbete med MIT-kollegor Brad Olsen ’03, en kemiingenjör, och Desiree Plata, PhD ’09, en civil- och miljöingenjör – använder Prather biomassa för att skapa förnybara polymerer som kan leda till en grönare typ av plast. Hennes labb tar reda på hur man kan få mikrober att omvandla socker från växter till monomerer som sedan kan omvandlas kemiskt till polymerer för att skapa plast. I slutet av plastens livslängd bryts den ned biologiskt och omvandlas till näringsämnen igen. Dessa näringsämnen kommer att ge dig fler växter från vilka du kan extrahera mer socker som du kan omvandla till nya kemikalier för att gå till ny plast, säger Prather. Det är livets cirkel där.
Nuförtiden drar hon mest uppmärksamhet för sin forskning om att optimera metabola vägar – forskning som hon och andra forskare sedan kan använda för att maximera utbytet av en önskad produkt.
Utmaningen är att celler prioriterar användningen av näringsämnen, såsom glukos, för att växa snarare än att tillverka dessa önskvärda föreningar. Mer tillväxt för cellen betyder mindre produkt för forskaren. Så man stöter på ett konkurrensproblem, säger Prather.
Ta glukarsyra, kemikalien som produceras av Prathers företag - och en som Keasling säger är extremt viktig för industrin. (Dessa molekyler är inte triviala att producera, särskilt på de nivåer som behövs industriellt, säger han.) Prather och hennes labb hade lagt till tre gener – hämtade från möss, jäst och en bakterie – för att E coli , vilket gör det möjligt för bakterierna att omvandla en typ av enkelt socker till glukarsyra. Men bakterierna behövde också det sockret för en metabolisk väg som bryter ner glukos för att mata sin egen tillväxt och reproduktion.
Prathers team ville stänga av vägen för närande tillväxt och avleda sockret till en väg som producerar glukarsyra - men först efter att bakteriekulturen hade vuxit tillräckligt för att upprätthålla sig själv som en produktiv kemisk fabrik. För att göra det använde de quorum sensing, en sorts kommunikation genom vilken bakterier delar information om förändringar i antalet celler i deras koloni, vilket gör att de kan koordinera koloniomfattande funktioner såsom genreglering. Teamet konstruerade varje cell för att producera ett protein som sedan skapar en molekyl som kallas AHL. När quorum sensing upptäcker en viss mängd AHL – den mängd som produceras under den tid det tar för kulturen att nå en hållbar storlek – aktiverar den en strömbrytare som stänger av produktionen av ett enzym som är en del av glukosnedbrytningsprocessen. Glukoset skiftar till den kemiska syntesvägen, vilket kraftigt ökar mängden glukarsyra som produceras.
Prathers switchar, kallade metabolitventiler, används nu i processer som utnyttjar mikrober för att producera ett brett utbud av önskade kemikalier. Klaffarna öppnas eller stängs som svar på förändringar i densiteten hos särskilda molekyler i en väg. Dessa switchar kan finjusteras för att optimera produktionen utan att kompromissa med bakteriernas hälsa, vilket dramatiskt ökar produktionen. Forskarnas flaggskeppsartikel, som publicerades i Nature Biology 2017, har citerats nästan 200 gånger. Målet vid det här laget är att trappa upp skalan.
Liksom många av de mekanismer Prather använder i sin forskning, finns sådana switchar redan inom biologin. Celler vars resurser hotas av angränsande främmande celler kommer att byta från tillväxtläge till att producera antibiotika för att till exempel döda sina konkurrenter. Celler som gör saker som antibiotika har ett naturligt sätt att först göra mer av sig själva och sedan lägga sina resurser på att tillverka produkter, säger hon. Vi utvecklade ett syntetiskt sätt att härma naturen.
Prathers Berkeley-rådgivare, Keasling, har använt en derivata av switchen inspirerad av hennes forskning. Verktyget för att kanalisera metaboliskt flöde - materialflödet genom en metabolisk väg - är superviktigt arbete som jag tror kommer att användas flitigt i framtiden av metabola ingenjörer, säger han. När Kristala publicerar något vet man att det kommer att fungera.
Mentorskap för unga forskare
Prather får minst lika mycket erkännande för undervisning och mentorskap som för sin forskning. Hon bryr sig mycket om utbildning och satsas på sina elever på ett sätt som verkligen sticker ut, säger Keasling. Eleverna beskriver hennes optimism och stödjande, och säger att hon motiverar utan att befalla. Hon skapade en miljö där jag var fri att göra mina egna misstag och lära mig och växa, säger Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, som studerade med Prather mellan 2007 och 2012 och nu är biträdande professor i kemi och biomedicin ingenjör vid University of Delaware. I vissa andra labb, noterar han, har du hårda deadlines, och du presterar eller så blir du rädd.
Det var på Merck som Prather insåg hur mycket hon älskar att arbeta med unga forskare – och det var också där hon samlade den arsenal som hon använder för att driva sitt labb. Så till exempel ser hon till att lära känna varje elevs preferenser kring kommunikationsstil, för att behandla alla rättvist är inte detsamma som att behandla alla lika, säger hon. En-mot-en-möten inleds med några minuters chatt om allmänna ämnen, så Prather kan ta reda på elevernas sinnestillstånd och se till att de är okej. Hon sätter tydliga standarder, inriktad på att undvika den osäkerhet om förväntningar som är vanlig i akademiska laborationer. Och när elever väl tar upp oro är det viktigt att dokumentera och bekräfta att de har blivit hörda, säger hon.
De mest effektiva ledarna modellerar de beteenden de vill se hos andra. Prather, som fick MIT:s Martin Luther King Leadership Award 2017, förväntar sig engagemang och höga prestationer från sina doktorander och postdoktorer, men inte på bekostnad av deras fysiska eller mentala hälsa. Hon avråder från att arbeta på helger – i den utsträckning det är möjligt inom biologi – och insisterar på att labbmedlemmar tar semester. Och från början har hon visat att det är möjligt att samtidigt göra förstklassig vetenskap och ha ett personligt liv.
Prather kollar in hos kemiingenjörsstudenten K'yal Bannister, som designar vägar för projektet för att producera förnybara monomerer.
SASHA ISRAELPrathers två döttrar var båda campusbarn. Hon var 31, med en två månader gammal bebis när hon började på fakulteten, och hon skulle vårda sin dotter på sitt kontor innan hon lämnade henne på institutets nya spädbarnsvårdsinrättning. Senare ställde hon upp ett litet bord och stolar nära sitt skrivbord som en lekplats. Barnen har följt med henne på arbetsresor – Prather och hennes man turades om att titta på dem när de var små – och besöker ofta sin mammas kvälls- och helgevenemang. Prather minns att han dök upp för en presentation i 32-123 med båda barnen i släptåg och ställde upp dem med snacks på första raden. Min dotter tappade omedelbart marinarasåsen till hennes mozzarellastavar på golvet, säger hon. Jag låg på händer och knän och torkade upp röd sås 15 minuter innan jag höll ett föredrag.
Prather sätter gränser. Hon tackar nej till nästan varje inbjudan till fredagskvällar, vilket är familjetid. Resor är begränsade till två i månaden, och hon kommer inte att resa på någon familjemedlems födelsedag eller på hennes årsdag. Men hon välkomnar också studenter till sitt hem, där hon håller grillar och Thanksgiving-middagar för alla som inte har någonstans att gå. Jag tar med dem in i mitt hem och in i mitt liv, säger hon.
När Solomon var Prathers elev var hon till och med värd för hans föräldrar. Den gästfriheten fortsatte efter att han tog examen, när han och hans mamma stötte på hans tidigare professor vid en konferens i Tyskland. Hon höll nådigt min mamma sysselsatt eftersom hon visste att jag nätverkade för att främja min karriär, säger Solomon.
Det var en handling i linje med Prathers prioriteringar. Utöver innovationerna, bortom upptäckterna, är hennes övergripande mål att skapa oberoende framgångsrika vetenskapsmän. Det viktigaste vi gör som forskare är att utbilda studenter och postdoktorer, säger hon. Om dina elever är välutbildade och redo att föra fram kunskap – även om det vi jobbar med inte går någonstans – är det för mig en vinst.
Om att vara svart på MIT
Att vittna om rasism
Som student vid MIT var Kristala Jones Prather ’94 aldrig målet för rasistiskt beteende. Men hon säger att andra svarta studenter inte hade så tur. Även om ingen utmanade henne direkt var det en allmän stämning på campus som ifrågasatte giltigheten i min existens, säger hon. Artiklar i The Tech hävdade att positiv särbehandling spädde på studentpoolens kvalitet.
Under hennes yngre år slängde en grupp som stod på taket till en frats rasförtal mot svarta studenter som gick tillbaka till sin sovsal. Som svar samarbetade Prather och en annan student med Clarence G. Williams, HM ’09, specialassistent till presidenten, för att producera en dokumentär som heter Det är intuitivt uppenbart om upplevelsen av svarta studenter vid MIT.
Jag var involverad i mycket aktivism för att skapa ett klimat där studenter inte behövde utsättas för föreställningen att MIT gjorde välgörenhet, säger Prather. Snarare var det en möjlighet för studenter som hade visat sin förmåga att representera institutionen med stolthet.
Prathers beslut att återvända till MIT som fakultetsmedlem var svårt, delvis för att hennes tidigare svarta klasskamrater, av vilka många hade upplevt öppen rasism, avskräckte sina egna barn från att delta. Hon var också orolig för att hon inte skulle kunna undvika personangrepp den här gången. Jag ville inte att alla positiva känslor jag hade om MIT skulle förstöras, säger hon.
Dessa farhågor visade sig vara ogrundade. Prather säger att hon har fått ett enormt stöd från sin avdelningschef och kollegor, såväl som rikliga ledarskapsmöjligheter. Men hon inser att inte alla hennes kamrater kan säga detsamma. Hon är försiktigt optimistisk om institutets nuvarande mångfaldsinitiativ. Vi gör framsteg, säger hon. Jag väntar på att se om det finns ett verkligt engagemang för att skapa en miljö där färgglada studenter kan känna att institutet är ett hem för dem.