Женщина, которая со всем не согласна: как лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Арнольд переворачивает науку с ног на голову

Фото Donato Sardella / Getty Images for KPCC / Southern California Public Radio
Фрэнсис Арнольд Фото Donato Sardella / Getty Images for KPCC / Southern California Public Radio
Профессор Калифорнийского технологического института, биоинженер и биохимик Фрэнсис Арнольд стала одной из немногих женщин-лауреатов Нобелевской премии. Почему так важны ее научные открытия?

За последние 100 с лишним лет Нобелевскую премию по химии получили 177 человек. До 2018 года женщин среди них было всего четыре: знаменитая исследовательница радиоактивных элементов Мария Склодовская-Кюри, ее дочь Ирэн Жолио-Кюри, которая синтезировала новые радиоактивные вещества, Дороти Ходжкин — ее номинировали за применение рентгена в биохимии — и Ада Йонат — за изучение клеточной структуры рибосомы. В 2018 году к ним присоединилась пятый лауреат Нобелевской премии по химии: Фрэнсис Арнольд вручили самую престижную научную награду «За направленную эволюцию ферментов». Химия наряду с физикой и экономикой — это те науки, в которых женщины реже всего получают Нобелевку. Как профессор Арнольд добилась этого почетного титула в сексистском научном мире — и что нам всем стоит узнать про ее изобретения и работу в академии? 

Как девочка, которая со всеми не согласна, выросла в великого ученого

В главной научной работе своей жизни Фрэнсис Арнольд вдохновлялась заводчиками кошек и собак. Но начиналось все совсем не с животного мира — и даже не с мира живых организмов. В 1979 году 23-летняя Фрэнсис получила степень бакалавра Принстонского университета в области механической и аэрокосмической инженерии. Молодой ученый тогда занималась исследованием различных источников энергии. В процессе своего обучения она даже взяла академический отпуск на год, чтобы отправиться в Италию: там она работала на фабрике, производящей компоненты для ядерного реактора. Вернувшись домой, она продолжила учебу в школе энергетики и экологических исследований Принстона, где группа ученых и инженеров работала над созданием альтернативных источников энергии, — и в итоге защитила диплом на тему солнечной энергии.

После университета Арнольд какое-то время была инженером: она поработала в Бразилии, в Южной Корее и в американской Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии в Колорадо — та тогда занималась именно солнечной энергией. В то время, когда Фрэнсис Арнольд трудилась в лаборатории, она помогла спроектировать оборудование для солнечной энергетики, которое можно размещать даже в удаленных уголках планеты. Так на нее обратила внимание ООН: организация пригласила Арнольд помочь в написании установочных документов по вопросам возобновляемой энергии.

После этого карьера Фрэнсис Арнольд совершила резкий поворот. Она поступила на программу PhD в Калифорнийский Университет в Беркли и на этот раз решила изучать химию. Точнее, все началось с химической инженерии, области на стыке физики и химии, которая в чем-то перекликалась с прошлым образованием и опытом Арнольд. Но в конечном итоге она увлеклась биохимией и биоинженерией — и ушла далеко от ядерных реакторов и солнечных панелей.

Фрэнсис Арнольд кажется жутким гиком и типичной «отличницей». Разве не такая женщина — упорная, дотошная, прилежная и вдумчивая — могла пробиться к Нобелевской премии в научном мире, который захвачен мужчинами? А вот и нет. Арнольд никогда не была типичной «лабораторной занудой».

«Всю жизнь я делала так: брала то, как люди думают, и переворачивала это с ног на голову», — признается Фрэнсис. Нонконформизм — это то, что определяло ее как личность с самого детства. Например, в раннем подростковом возрасте девушка добралась автостопом из своего родного города в Вашингтон, чтобы поучаствовать в протестах против войны во Вьетнаме. Естественно, разрешения родителей она не спросила. В старшей школе она прогуливала уроки, а по ночам работала официанткой — разносила посетителям бара в центре Питтсбурга коктейли. Благодаря этому она уже в 17 лет съехала от родителей и четырех братьев в отдельную квартиру.

Перед тем, как начать учиться в Принстоне, Арнольд подрабатывала таксисткой. А во время учебы в университете путешествовала не только в научных целях, как в случае с заводом в Италии: она в одиночку объездила многие страны Европы и Южной Америки. Фрэнсис Арнольд не «типичный ботан», а авантюристка, креативно одаренный ученый, которая могла изучать одновременно инженерные науки, химию, русский язык и экономику и делать все это хорошо. «Стоило поговорить с ней 10 минут, и вы понимали, что не встречали подобного человека еще никогда в своей жизни», — вспоминает ее бывшая соседка Стейси Иверс, которая узнала Арнольд еще школьницей, поселившейся в их доме.

Что такое направленная эволюция и почему это интересно

После получения Нобелевской премии в 2018 году Фрэнсис Арнольд больше не была такой свободной, как в юности. Когда журналист газеты из ее родного Питтсбурга Pittsburgh Post-Gazette Гэри Родштейн попросил показать ему как-нибудь, как выглядит типичный день у нее на кампусе, ученая ответила: «Я не уверена, что у меня в ближайшее время — или когда-нибудь — теперь будет «типичный день». Российскому Forbes Woman она тоже отказала в комментариях, извинившись и сославшись на большую занятость: Арнольд сказала, что сейчас вообще не дает никому интервью. Чем же она так занята?

Вернемся к кошкам и собакам. Как появляются современные популярные породы животных, например, шотландская вислоухая кошка? Первая такая кошка, Сьюзи, как гласит легенда, родилась на ферме в Шотландии. Характерные загнутые уши стали следствием случайной генной мутации. Но современные шотландцы вовсе не прапраправнуки Сьюзи, а результат кропотливой работы заводчиков-селекционеров: они в течение примерно 15 лет изучали гены близких пород и старались повторить пути натуральной эволюции. Так в лаборатории родились скоттиш-фолды: они не только были внешне похожи на Сьюзи, но и не имели характерных для естественной мутации в «гене вислоухости» побочных эффектов — проблем с размножением и опорно-двигательным аппаратом.

На наноуровне, то есть на уровне молекул в человеческом организме, все работает похожим образом. Можно годами ждать, когда «случайно» синтезируется какой-то новый фермент — белок, который как-то интересно повлияет на происходящие в нашем теле процессы. А можно, как это делают заводчики породистых кошек, взять эволюцию в свои руки и создавать с помощью тщательной «селекции» протеины с заданными свойствами.

В этом, конечно, помогает и естественная эволюция. Так как она не имеет цели, а происходит хаотично, многие молекулы в итоге обладают целым комплексом функций. Если какие-то из них пригождаются человеку или другому живому существу — замечательно, значит, такой белок останется в природе надолго. Но у него может быть немало интересных свойств, которые при этом никак не реализуются. Фрэнсис Арнольд придумала взять такие протеины и «подкрутить» эти побочные функции, сделав новые белки с уже новой функциональностью.

Тут помог бэкграунд ученой в инженерных науках. Арнольд использовала методы кристаллографии, чтобы наблюдать за строением протеинов, изучать структуру молекул — и затем «направлять» мутации в нужные участки белка. Она также применяла линейную регрессию — математическую модель, которая позволяла рассчитать, какие именно способы рекомбинации генов помогут создать наиболее устойчивые новые белки. С помощью машинного обучения модель удалось научить на небольшой выборке молекул, какие сочетания генов жизнеспособны и могут нести полезные функции, а какие нет — и это ускорило процесс «направленной эволюции» в разы по сравнению с селекцией «вручную».

Вот как это работает на практике. Все начинается с гена, который кодирует определенный белок — живой организм, считывая эту последовательность ДНК, благодаря этой «инструкции» производит протеин. Модифицированный по методу Фрэнсис Арнольд ген «подсаживают» бактериям, которые начинают синтезировать энзимы. Самые перспективные отбираются, в них опять производят определенные изменения, чтобы вызвать направленную мутацию — и цикл повторяется вновь. В результате такой рукотворной эволюции рождаются протеины с новыми свойствами.

Благодаря методикам Арнольд — а первая научная работа, описывающая то, за что она получила Нобелевскую премию, вышла еще в 1993 году — уже произвели множество полезных энзимов: они сейчас используются для создания разных продуктов, от стиральных порошков до биотоплива и лекарств. Больше всего Фрэнсис гордится разработкой на базе ее метода препарата Янувия фармацевтического концерна Merck & Co: этот лекарство, которое помогает диабетикам, раньше производилось с использованием токсичных металлов. Арнольд рада, что ее открытие помогло уменьшить количество вредных выбросов и сделать продукт более безопасным.

Наука по-женски

В начале 2020 года твиттер поразило заявление Фрэнсис Арнольд: 2 января она досрочно вернулась с новогодних каникул и сообщила, что отзывает опубликованную в мае 2019 года статью в журнале Science. Исходная работа говорила о том, как можно с помощью модифицированных энзимов создавать новые бета-лактамные антибиотики, — и это было важным открытием в условиях растущей антибиотикорезистентности. Но оказалось, что результаты исследования не воспроизводимы, к тому же выяснилось, что из лабораторных компьютеров пропал важный кусок данных.

Это поразительный пример честности в научном мире. В журнале Nature в 2016 году опубликовали шокирующие цифры: результаты около 70% научных работ, одобренных рецензентами и напечатанных в качественных научных журналах, другие ученые воспроизвести не смогли. Это значит, что почти две трети современной науки находится в «серой зоне»: может, это правда, а может, и нет. Обычно исследователи не отказываются от результатов собственных работ, даже если их воспроизводимость вызывает сомнения. Но не бунтарка Фрэнсис Арнольд. «Больно признавать это, но необходимо. Я извиняюсь перед вами всеми. Когда наша публикация уходила в печать, я была слишком занята и не выполнила свою работу достаточно хорошо», — прокомментировала ученая отзыв своей научной работы в твиттере.

Возможно, такие женщины, как она, привнесут в этот — все еще мужской — научный мир новую струю. «В юности мои родители были недовольны моим поведением — они даже боялись, что я плохо повлияю на своих братьев. Тогда они сказали: «Или ты ведешь себя как положено, или не сможешь больше жить в нашем доме». Я ответила «Ок» и съехала», — вспоминает Фрэнсис. 

Она остается такой же принципиальной и сейчас, в свои 63 года: пробует то, что другие не рискнули, и не боится признаваться в своих ошибках. Коллеги, кстати, неожиданно одобрили ее честность и писали после отзыва публикации поддерживающие сообщения в твиттере. Возможно, работы Арнольд будут важны миру не только благодаря созданию новых веществ, но и благодаря тому, что она привлекла внимание научного мира к простому факту: даже самый гениальный исследователь может оступиться, но ради общих интересов стоит честно это признать, отряхнуться и идти дальше. Это может помочь сделать науку более прозрачной, более смелой и более полезной людям — кажется, такому уроку «науки по-женски» и учит вся биография Фрэнсис Арнольд.