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Construire une meilleure usine chimique – à partir de microbes
Sasha Israel
Les ingénieurs métaboliques ont un problème : les cellules sont égoïstes. Les scientifiques veulent utiliser des microbes pour produire des composés chimiques destinés à des applications industrielles. Les microbes préfèrent se concentrer sur leur propre croissance.
Kristala L. Jones Prather '94 a conçu un outil qui satisfait les deux objectifs contradictoires. Sa valve métabolite agit comme un interrupteur de train : elle détecte quand une culture cellulaire s'est suffisamment reproduite pour se maintenir, puis redirige le flux métabolique - le mouvement des molécules dans une voie - sur la voie qui synthétise le composé souhaité. Les résultats : un meilleur rendement du produit et une croissance cellulaire suffisante pour maintenir la culture saine et productive.
William E. Bentley, professeur de bio-ingénierie à l'Université du Maryland, suit les travaux de Prather depuis plus de deux décennies. Il appelle les vannes un nouveau principe d'ingénierie qui, selon lui, sera très apprécié dans la communauté de la recherche. Leur capacité à éliminer les goulots d'étranglement peut s'avérer si essentielle pour ceux qui tentent de synthétiser une molécule particulière en quantités utiles que, dans de nombreux cas, cela pourrait décider s'il s'agit d'une entreprise réussie ou non, explique Bentley.
Prather, professeur Arthur D. Little de génie chimique au MIT, travaille dans les domaines croisés de la biologie synthétique et de l'ingénierie métabolique : un lieu où la science, plutôt que l'art, imite la vie. Les valves jouent un rôle majeur dans son objectif plus large de programmer les microbes, principalement E. coli —pour produire des produits chimiques qui peuvent être utilisés dans un large éventail de domaines, y compris l'énergie et la médecine. Elle le fait en observant ce que la nature peut faire. Ensuite, elle émet l'hypothèse de ce qu'il devrait être capable de faire avec l'aide d'un ADN stratégiquement inséré.
Nous augmentons la capacité de synthèse des systèmes biologiques, dit Prather, qui a fait la liste TR35 de MIT Technology Review en 2007. Nous devons aller au-delà de ce que la biologie peut faire naturellement et commencer à lui faire fabriquer des composés qu'elle ne fabrique pas normalement.
Prather décrit son travail comme la création d'un nouveau type d'usine chimique à l'intérieur de cellules microbiennes, une usine qui fabrique efficacement des composés ultra-purs à grande échelle. Amener les microbes à produire les composés souhaités est plus sûr et plus respectueux de l'environnement que de s'appuyer sur la synthèse chimique traditionnelle, qui implique généralement des températures élevées, des pressions élevées et une instrumentation compliquée et, souvent, des sous-produits toxiques. Elle n'est pas à l'origine de l'idée de transformer les microbes en usines chimiques, mais son laboratoire est connu pour développer des outils et des processus de mise au point qui le rendent efficace et pratique.
C'est l'approche qu'elle a adoptée avec l'acide glucarique, qui a de multiples applications commerciales, dont certaines vertes. Les usines de traitement de l'eau, par exemple, ont longtemps compté sur les phosphates pour empêcher la corrosion dans les tuyaux et pour se lier avec des métaux comme le plomb et le cuivre afin qu'ils ne s'infiltrent pas dans l'approvisionnement en eau. Mais les phosphates alimentent également les proliférations d'algues dans les lacs et les océans. L'acide glucarique fait le même travail que les phosphates sans nourrir ces fleurs toxiques.
SASHA ISRAELLa production d'acide glucarique de la manière habituelle - par oxydation chimique du glucose - est coûteuse, donne souvent un produit qui n'est pas très pur et crée beaucoup de déchets dangereux. Les usines microbiennes de Prather le produisent avec des niveaux de pureté élevés et sans sous-produits toxiques, à un coût raisonnable. Elle a cofondé la startup Kalion en 2011 pour mettre en pratique son approche d'usine microbienne. (Prather est le directeur scientifique de Kalion. Son mari, Darcy Prather '91, en est le président.)
L'entreprise, qui prépare une production à grande échelle en Slovaquie, compte plusieurs clients potentiels. Bien que les plus importants d'entre eux soient dans les services pétroliers, il s'avère également, de la manière merveilleuse et loufoque de la chimie, que le même composé est utilisé dans la fabrication pharmaceutique, dit Prather. Il est nécessaire, par exemple, dans la production du médicament pour le TDAH Adderall. Et il peut être utilisé pour rendre les textiles plus résistants, ce qui pourrait conduire à un recyclage plus efficace du coton et d'autres matériaux naturels.
La première cible de Kalion est les phosphates, en raison de leurs applications commerciales immédiates. Mais dans ses recherches plus larges, Prather a également attiré l'attention sur le pétrole. Désireux de produire des alternatives plus vertes à l'essence et aux plastiques, elle et son groupe de recherche au MIT utilisent des bactéries pour synthétiser des molécules qui seraient normalement dérivées du pétrole. Vue d'ensemble, si nous réussissons, dit Prather, ce que nous faisons, c'est déplacer les choses une par une sur l'étagère pour dire: «Cela n'est plus fabriqué à partir de pétrole. Cela est maintenant fabriqué à partir de biomasse.
De l'est du Texas au MIT
Né à Cincinnati, Prather a grandi à Longview, au Texas, dans un contexte de pompes et de derricks pour champs pétrolifères. Son père est mort avant qu'elle n'ait deux ans. Sa mère a travaillé au Wylie College, une petite école historiquement noire – et y a elle-même obtenu un baccalauréat en 2004, s'empresse d'ajouter Prather.
Première major de couleur de son lycée, Prather n'avait que de vagues idées sur les opportunités académiques et professionnelles en dehors de son état. Alors que les brochures universitaires inondaient la boîte aux lettres de la famille au cours de sa première année, elle a demandé conseil à un professeur d'histoire. Les mathématiques étaient ma matière préférée au lycée et j'aimais la chimie, dit Prather. Le professeur lui a dit que les mathématiques plus la chimie équivalaient au génie chimique et que si elle voulait être ingénieure, elle devrait aller au MIT. Qu'est-ce que le MIT ? demanda Prather.
D'autres membres de la communauté n'étaient pas mieux informés. Ce qui était alors le DeVry Institute of Technology, une école à but lucratif avec une réputation académique moins que stellaire et des campus à travers le pays, faisait beaucoup de publicité à la télévision. Quand elle a dit aux gens qu'elle allait au MIT, ils ont supposé que c'était une succursale de DeVry dans le Massachusetts. Ils étaient déçus, car ils pensaient que j'allais faire de grandes choses, dit Prather. Mais ici, j'allais dans cette école de métiers pour être aide-plombier.
En juin 1990, Prather est arrivé sur le campus pour participer à Interphase, un programme proposé par le Bureau de l'éducation des minorités du MIT. Conçu pour faciliter la transition des étudiants entrants, Interphase a changé la donne, dit Prather. Le programme l'a présentée à un groupe d'amis durables et l'a familiarisée avec le campus. Plus important encore, cela a insufflé la confiance. Venant d'une école sans classes AP, Prather s'était inquiété de commencer derrière la courbe. Quand elle a découvert qu'elle connaissait le matériel de son cours de mathématiques Interphase, cela a été un soulagement. Quand je m'ennuyais, je pensais : « Ma place est ici », dit-elle.
En tant qu'étudiant de premier cycle, Prather a été exposé à l'ingénierie des bioprocédés, qui utilise des cellules vivantes pour induire les changements chimiques ou physiques souhaités dans un matériau. À cette époque, les scientifiques considéraient les cellules à partir desquelles le processus démarre comme quelque chose de fixe. Prather a été intrigué par l'idée que l'on pouvait concevoir non seulement le processus, mais aussi la biologie de la cellule elle-même. La façon dont vous pouviez copier et couper et coller l'ADN a plu à la partie de moi qui aimait les mathématiques, dit-elle.
Prather a décidé un séjour à
le monde de l'entreprise réduirait le risque que sa carrière universitaire soit reléguée à une non-pertinence dans le monde réel.
Après avoir obtenu son diplôme en 1994, Prather a obtenu son doctorat à l'Université de Californie à Berkeley, où son conseiller était Jay Keasling, professeur de génie chimique et biomoléculaire qui était à la pointe du nouveau domaine de la biologie synthétique. À Berkeley, Prather a cherché des moyens de déplacer l'ADN dans et hors des cellules pour optimiser la création de protéines souhaitables.
La pratique à l'époque consistait à gonfler les cellules avec beaucoup d'ADN, ce qui produirait à son tour beaucoup de protéines, ce qui générerait beaucoup du composé chimique souhaité. Mais il y avait un problème, que Prather, qui vit près d'un parc d'État pittoresque, explique avec une analogie locale. Je peux faire une randonnée légère dans la réserve de Blue Hills, dit-elle, mais pas si vous mettez un sac de 50 livres sur mon dos. De même, une cellule surchargée peut parfois répondre en disant: «Je suis trop fatiguée». La thèse de doctorat de Prather a exploré des systèmes qui produisent efficacement une grande quantité d'un produit chimique souhaité en utilisant moins d'ADN.
Au cours de sa quatrième année à Berkeley, Prather a reçu une bourse de DuPont et s'est rendue dans le Delaware pour sa première présentation complète. Conformément à la pratique habituelle des conférences, elle a exposé à son auditoire les trois motivations qui sous-tendent sa recherche. Par la suite, l'un des scientifiques de l'entreprise lui a poliment expliqué pourquoi tous les trois étaient dans l'erreur. Il a dit : 'Ce que vous faites est intéressant et important, mais vous êtes motivé par ce que vous pensez être important dans l'industrie', déclare Prather. 'Et nous ne nous soucions de rien de tout cela.'
Humiliée, Prather a décidé qu'un séjour dans le monde de l'entreprise réduirait le risque que sa carrière universitaire soit reléguée à une non-pertinence dans le monde réel. Elle a passé les quatre années suivantes chez Merck, dans un groupe développant des procédés pour fabriquer des choses comme des protéines thérapeutiques et des vaccins. Là, elle a appris les types de projets et de problèmes qui importent le plus aux praticiens comme son porte-parole de DuPont.
Merck a employé des hordes de chimistes pour produire de grandes quantités de composés chimiques destinés à être utilisés dans de nouveaux médicaments. Lorsqu'une partie de ce processus semblait mieux adaptée à la biologie qu'à la chimie, ils la confiaient au département dans lequel Prather travaillait, qui utilisait des enzymes pour effectuer l'étape suivante. Ce n'étaient généralement pas des réactions très compliquées, dit Prather. Une seule étape pour convertir A en B.
Prather a été intrigué par la possibilité d'effectuer non seulement des étapes individuelles, mais toute la synthèse chimique dans les cellules, en utilisant des chaînes de réactions appelées voies métaboliques. Ce travail a inspiré ce qui allait devenir certaines de ses recherches les plus acclamées au MIT, où elle a rejoint la faculté en 2004.
Trouver le commutateur de production
Peu de temps après son retour au MIT, cette jeune femme du champ pétrolier du Texas s'est attaquée aux combustibles fossiles et à leurs sous-produits. Bon nombre des projets de son laboratoire visent à remplacer le pétrole comme matière première. Dans l'un d'entre eux – une collaboration avec des collègues du MIT Brad Olsen '03, ingénieur chimiste, et Desiree Plata, PhD '09, ingénieur civil et environnemental – Prather utilise la biomasse pour créer des polymères renouvelables qui pourraient conduire à un type de plastique plus écologique. Son laboratoire cherche à inciter les microbes à convertir le sucre des plantes en monomères qui peuvent ensuite être convertis chimiquement en polymères pour créer du plastique. À la fin de la vie utile du plastique, il se biodégrade et redevient nutritif. Ces nutriments vous donneront plus de plantes dont vous pourrez extraire plus de sucre que vous pourrez transformer en nouveaux produits chimiques pour entrer dans de nouveaux plastiques, dit Prather. C'est le cercle de la vie là-bas.
Ces jours-ci, elle attire le plus l'attention pour ses recherches sur l'optimisation des voies métaboliques - des recherches qu'elle et d'autres scientifiques peuvent ensuite utiliser pour maximiser le rendement d'un produit souhaité.
Le défi est que les cellules donnent la priorité à l'utilisation de nutriments, tels que le glucose, pour se développer plutôt que pour fabriquer ces composés souhaitables. Plus de croissance pour la cellule signifie moins de produit pour le scientifique. Donc, vous rencontrez un problème de concurrence, dit Prather.
Prenez l'acide glucarique, le produit chimique produit par la société de Prather et qui, selon Keasling, est extrêmement important pour l'industrie. (Ces molécules ne sont pas triviales à produire, en particulier aux niveaux nécessaires à l'industrie, dit-il.) Prather et son laboratoire avaient ajouté trois gènes - tirés de souris, de levure et d'une bactérie - pour E. coli , permettant aux bactéries de transformer un type de sucre simple en acide glucarique. Mais les bactéries avaient également besoin de ce sucre pour une voie métabolique qui décompose le glucose pour nourrir sa propre croissance et sa reproduction.
L'équipe de Prather voulait fermer la voie nourrissant la croissance et détourner le sucre vers une voie produisant de l'acide glucarique, mais seulement après que la culture bactérienne ait suffisamment poussé pour se maintenir en tant qu'usine chimique productive. Pour ce faire, ils ont utilisé la détection de quorum, une sorte de communication par laquelle les bactéries partagent des informations sur les changements du nombre de cellules dans leur colonie, ce qui leur permet de coordonner des fonctions à l'échelle de la colonie telles que la régulation des gènes. L'équipe a conçu chaque cellule pour produire une protéine qui crée ensuite une molécule appelée AHL. Lorsque le quorum sensing détecte une certaine quantité d'AHL (la quantité produite dans le temps nécessaire à la culture pour atteindre une taille durable), il active un interrupteur qui désactive la production d'une enzyme faisant partie du processus de dégradation du glucose. Le glucose se déplace vers la voie de synthèse chimique, augmentant considérablement la quantité d'acide glucarique produit.
Les interrupteurs de Prather, appelés vannes à métabolites, sont désormais utilisés dans des processus qui exploitent les microbes pour produire une large gamme de produits chimiques souhaités. Les vannes s'ouvrent ou se ferment en réponse à des changements de densité de molécules particulières dans une voie. Ces commutateurs peuvent être réglés avec précision pour optimiser la production sans compromettre la santé des bactéries, ce qui augmente considérablement le rendement. L'article phare des chercheurs, publié dans Nature Biology en 2017, a été cité près de 200 fois. L'objectif à ce stade est d'augmenter l'échelle.
Comme de nombreux mécanismes que Prather utilise dans ses recherches, de tels interrupteurs existent déjà en biologie. Des cellules dont les ressources sont menacées par des cellules étrangères voisines passeront du mode de croissance à la production d'antibiotiques pour tuer leurs concurrents par exemple. Les cellules qui fabriquent des choses comme les antibiotiques ont un moyen naturel de faire d'abord plus d'elles-mêmes, puis de mettre leurs ressources dans la fabrication de produits, dit-elle. Nous avons développé une manière synthétique d'imiter la nature.
La conseillère de Prather à Berkeley, Keasling, a utilisé un dérivé de l'interrupteur inspiré de ses recherches. L'outil permettant de canaliser le flux métabolique - le flux de matière à travers une voie métabolique - est un travail extrêmement important qui, je pense, sera largement utilisé à l'avenir par les ingénieurs métaboliques, dit-il. Quand Kristala publie quelque chose, vous savez que ça va marcher.
Encadrement de jeunes scientifiques
Prather reçoit au moins autant de reconnaissance pour son enseignement et son mentorat que pour ses recherches. Elle se soucie profondément de l'éducation et s'investit auprès de ses élèves d'une manière qui se démarque vraiment, dit Keasling. Les étudiants décrivent son optimisme et son soutien, disant qu'elle motive sans commander. Elle a créé un environnement où j'étais libre de faire mes propres erreurs, d'apprendre et de grandir, déclare Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, qui a étudié avec Prather entre 2007 et 2012 et est maintenant professeur adjoint de chimie et biomédical. ingénierie à l'Université du Delaware. Dans certains autres laboratoires, note-t-il, vous avez des délais serrés, et vous performez ou vous paniquez.
C'est chez Merck que Prather a réalisé à quel point elle aimait travailler avec de jeunes scientifiques - et c'est aussi là qu'elle a rassemblé l'arsenal de gestion qu'elle utilise pour gérer son laboratoire. Ainsi, par exemple, elle s'assure de connaître les préférences de chaque élève en matière de style de communication, car traiter tout le monde équitablement n'est pas la même chose que traiter tout le monde de la même manière, dit-elle. Les réunions individuelles commencent par quelques minutes de discussion sur des sujets généraux, afin que Prather puisse déterminer l'état d'esprit des étudiants et s'assurer qu'ils vont bien. Elle établit des normes claires, avec l'intention d'éviter l'incertitude sur les attentes qui est courante dans les laboratoires universitaires. Et lorsque les étudiants soulèvent des préoccupations, il est important de documenter et de confirmer qu'ils ont été entendus, dit-elle.
Les leaders les plus efficaces modélisent les comportements qu'ils veulent voir chez les autres. Prather, qui a reçu le Martin Luther King Leadership Award du MIT en 2017, attend de ses étudiants diplômés et postdoctoraux un engagement et des performances élevées, mais pas au détriment de leur santé physique ou mentale. Elle décourage de travailler le week-end - dans la mesure où cela est possible en biologie - et insiste pour que les membres du laboratoire prennent des vacances. Et depuis le début, elle a démontré qu'il est possible de faire simultanément de la science de premier ordre et d'avoir une vie personnelle.
Prather vérifie avec l'étudiant diplômé en génie chimique K'yal Bannister, qui conçoit des voies pour le projet de production de monomères renouvelables.
SASHA ISRAELLes deux filles de Prather étaient toutes deux des enfants du campus. Elle avait 31 ans, avec un bébé de deux mois, lorsqu'elle a rejoint la faculté, et elle allaitait sa fille dans son bureau avant de la laisser à la nouvelle garderie de l'Institut. Plus tard, elle a installé une petite table et des chaises près de son bureau comme aire de jeux. Les enfants l'ont accompagnée lors de voyages de travail - Prather et son mari les surveillaient à tour de rôle quand ils étaient petits - et assistent fréquemment aux événements du soir et du week-end de leur mère. Prather se souvient d'avoir assisté à une présentation en 32-123 avec les deux enfants en remorque et de les avoir installés avec des collations au premier rang. Ma fille a rapidement laissé tomber la sauce marinara pour accompagner ses bâtonnets de mozzarella sur le sol, dit-elle. J'étais à quatre pattes en train d'essuyer de la sauce rouge 15 minutes avant de donner une conférence.
Prather fixe des limites. Elle refuse presque toutes les invitations pour les vendredis soirs, qui sont du temps en famille. Les voyages sont limités à deux par mois et elle ne voyagera pas le jour de l'anniversaire d'un membre de la famille ou de son anniversaire. Mais elle accueille également des étudiants chez elle, où elle organise des barbecues et des dîners de Thanksgiving pour tous ceux qui n'ont pas d'endroit où aller. Je les amène dans ma maison et dans ma vie, dit-elle.
Lorsque Salomon était l'élève de Prather, elle a même hébergé ses parents. Cette hospitalité s'est poursuivie après avoir obtenu son diplôme, lorsque lui et sa mère ont rencontré son ancien professeur lors d'une conférence en Allemagne. Elle a gracieusement occupé ma mère parce qu'elle savait que je faisais du réseautage pour faire avancer ma carrière, dit Solomon.
C'était un acte conforme aux priorités de Prather. Au-delà des innovations, au-delà des découvertes, son objectif primordial est de créer des scientifiques indépendants qui réussissent. La chose la plus importante que nous faisons en tant que scientifiques est de former des étudiants et des postdoctorants, dit-elle. Si vos étudiants sont bien formés et prêts à faire progresser les connaissances - même si la chose sur laquelle nous travaillons ne mène nulle part - pour moi, c'est une victoire.
Être noir au MIT
Témoignage du racisme
En tant qu'étudiante au MIT, Kristala Jones Prather '94 n'a jamais été la cible de comportements racistes. Mais elle dit que d'autres étudiants noirs n'ont pas eu cette chance. Même si personne ne l'a défiée directement, il y avait une atmosphère générale sur le campus qui remettait en question la validité de mon existence, dit-elle. Des articles dans The Tech affirmaient que l'action positive diluait la qualité du bassin d'étudiants.
Au cours de sa première année, un groupe debout sur le toit d'une fraternité a lancé des insultes raciales aux étudiants noirs qui retournaient à leur dortoir. En réponse, Prather et un autre étudiant ont collaboré avec Clarence G. Williams, HM '09, assistant spécial du président, pour produire un documentaire intitulé C'est intuitivement évident sur l'expérience des étudiants noirs au MIT.
J'ai été impliqué dans beaucoup d'activisme pour créer un climat où les étudiants n'avaient pas à être soumis à l'idée que le MIT faisait de la charité, dit Prather. Il offrait plutôt une opportunité aux étudiants qui avaient démontré leur capacité à représenter fièrement l'institution.
La décision de Prather de retourner au MIT en tant que membre du corps professoral a été difficile, en partie parce que ses anciens camarades de classe noirs, dont beaucoup avaient été victimes de racisme manifeste, décourageaient leurs propres enfants d'y assister. Elle craignait aussi de ne pas pouvoir éviter les attaques personnelles cette fois-ci. Je ne voulais pas que tous les sentiments positifs que j'avais à propos du MIT soient ruinés, dit-elle.
Ces craintes se sont avérées infondées. Prather dit qu'elle a reçu un soutien considérable de la part de son chef de service et de ses collègues, ainsi que de nombreuses opportunités de leadership. Mais elle reconnaît que tous ses pairs ne peuvent pas en dire autant. Elle est prudemment optimiste quant à l'initiative actuelle de l'Institut en matière de diversité. Nous progressons, dit-elle. J'attends de voir s'il y a un réel engagement à créer un environnement où les étudiants de couleur peuvent se sentir comme si l'Institut était une maison pour eux.