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프랜시스 아널드

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목차

1. 개요

프랜시스 아널드는 미국의 화학 엔지니어이자 노벨상 수상자이다. 그는 지향적 진화의 사용을 개척하여 효소의 기능 향상 및 새로운 기능의 효소를 생성하는 데 기여했다. 프린스턴 대학교에서 기계공학을 전공하고 캘리포니아 대학교 버클리에서 화학공학 박사 학위를 받은 아널드는 2018년 노벨 화학상을 수상했으며, 2011년 찰스 스타크 드레이퍼상, 미국 국가기술상, 2016년 밀레니엄 기술상을 수상했다. 또한, 미국 내 3개 국립 아카데미에 모두 선출된 최초의 여성이다.

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프랜시스 아널드 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
2021년 캘리포니아 공과대학교에서 촬영된 프랜시스 아널드
2021년 모습
출생 이름프랜시스 해밀턴 아널드
출생일1956년 7월 25일
출생지미국 펜실베이니아주 앨러게니군 에지우드
배우자제이 베일리 (1987년 결혼, 1991년 이혼)
파트너앤드루 E. 랭 (1994년–2010년)
자녀3명
국적미국
학력
학사프린스턴 대학교 (이학사)
석사, 박사캘리포니아 대학교 버클리 (이학 석사, 박사)
박사 학위 논문 제목어피니티 분리 설계 및 스케일업
박사 학위 논문 URL어피니티 분리 설계 및 스케일업
박사 학위 논문 년도1985년
박사 지도 교수하비 블랜치
박사 지도 학생크리스토퍼 보이트
후이민 자오
경력
직장캘리포니아 공과대학교
직업화학공학
생물공학
생화학
PCAST 공동 의장조 바이든 행정부
수상
수상 내역가반-올린 메달 (2005년)
FASEB 과학 우수상 (2007년)
드레이퍼 상 (2011년)
국가 기술혁신상 (2013년)
밀레니엄 기술상 (2016년)
새클러 융합 연구상 (2017년)
노벨 화학상 (2018년)

2. 어린 시절

프랜시스 아널드는 조세핀 인만과 핵물리학자인 윌리엄 하워드 아널드의 딸이자, 미국 육군 중장인 윌리엄 하워드 아널드의 손녀이다.[84] 오빠 빌과 세 명의 남동생 에드워드, 데이비드, 토마스가 있었다. 피츠버그 교외의 에지우드와 피츠버그의 쉐이드사이드 및 스쿼럴 힐에서 자랐으며 1974년에 테일러 앨더다이스 고등학교를 졸업했다.[85] 고등학생 때 베트남 전쟁에 항의하기 위해 워싱턴 D.C.로 히치하이킹을 했고, 현지 재즈 클럽에서 칵테일 웨이트리스와 택시 운전사로 일하면서 혼자 살았다.[86]

어린 시절 아널드는 독립심 때문에 학교를 자주 결석하고 성적도 낮았다. 그럼에도 불구하고 표준화된 시험에서 거의 만점에 가까운 점수를 받았고, 아버지의 모교인 프린스턴 대학교에 진학하기로 결심했다. 기계공학 전공으로 지원해서 합격했는데[87] 노벨상 인터뷰에서 언급했듯이 자신이 공학을 선택하게 된 동기는 “기계 공학이 당시 프린스턴 대학교에 입학하는 가장 쉬운 선택이자 제일 쉬운 방법이었고 난 절대 떠나지 않았다”라고 말했다.[88]

1979년 프린스턴 대학교에서 기계 및 항공우주공학 학사 학위를 취득하고 태양에너지 연구에 중점을 두었다.[89] 전공 필수 과목 외에도 경제학을 비롯해 러시아어, 이탈리아어 수업을 들었고 국제 문제에 관한 고급 학위를 받는 것을 고려해서 외교관이나 CEO가 되는 것을 꿈꿨었다.[90] 2학년 후 프린스턴 대학교에서 1년을 휴학하고 이탈리아로 건너가 원자로 부품을 만드는 공장에서 일한 다음 학업을 마치기 위해 돌아왔다.[91] 프린스턴에 돌아온 후 로버트 H. 소콜로가 이끄는 과학자 및 엔지니어 그룹인 에너지 및 환경 연구 센터에서 공부하기 시작했으며, 이는 이후 연구의 초점이 될 주제인 지속 가능한 에너지원을 개발하기 위해 노력했다.[91]

1979년 프린스턴 대학교를 졸업한 후 대한민국과 브라질, 콜로라도의 태양에너지연구소에서 엔지니어로 일했다.[91] 이 연구소에서 외딴 지역의 태양에너지 시설을 설계하는 데 참여했으며 유엔(UN) 포지션 페이퍼 작성을 도왔다.[90] 이후 캘리포니아 대학교 버클리에 입학하여 1985년에 화학공학 박사 학위를 받았고[92] 생화학에 대한 깊은 관심을 갖게 됐다.[93][91] 하비 워런 블랜치의 연구실에서 수행된 자신의 논문 작업은 친화성 크로마토그래피 기술을 조사했다.[92][94] 아널드는 화학공학 박사 학위를 취득하기 전에는 화학에 대한 배경 지식이 전무했다. 박사 과정 첫 해에 UC 버클리의 대학원 위원회는 자신에게 학부 화학 과정을 이수할 것을 요구했다.[87]

3. 경력



버클리에서 생물물리화학 박사후 연구를 마친 후,[95] 1986년 캘리포니아 공과대학교에 방문 연구원으로 합류하여 같은 해 조교수가 되었다. 1992년 부교수, 1996년 정교수로 승진했다. 2000년 딕 앤드 바버라 디킨슨 화학 공학, 생명 공학 및 생화학 교수로 임명되었고, 2017년 리누스 폴링 화학 공학, 생명 공학 및 생화학 교수가 되었다.[96] 2013년 캘리포니아 공과대학교 돈나 앤드 벤저민 M. 로센 생명공학 센터 이사로 임명되었다.[96]

1995년부터 2000년까지 산타페 연구소 과학 위원회에서 근무했으며,[97] 공동 바이오에너지 연구소 자문 위원이었다. 패커드 펠로십스 과학 및 공학 자문 패널 의장, 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST) 대통령 자문위원회 위원을 역임했다. 엘리자베스 여왕 공학상 심사위원을 맡았고, 미국국립과학원 Science & Entertainment Exchange와 협력하여 할리우드 시나리오 작가들이 과학 주제를 정확하게 묘사하도록 도왔다.[98]

2000년 분자생물학, 유전학, 생명공학 기초를 생명과학과 산업 이익에 통합한 공로로 미국공학한림원 회원이 되었다.

40개 이상 미국 특허 공동 발명가이다.[14] 2005년 재생 가능한 자원으로 연료와 화학 물질을 만드는 회사인 지보를 공동 설립했다.[14] 2013년 이전 학생인 피터 메인홀드, 페드로 코엘호와 함께 살충제 대안 연구 회사 프로비비(Provivi)를 공동 설립했다.[99][100] 2016년부터 유전체학 회사 일루미나 기업 이사회에 있었다.[101][102]

2019년 알파벳 이사회에 임명되어 구글 모회사 세 번째 여성 이사가 되었다.[103]

2021년 1월 조 바이든 대통령 직속 과학기술자문위원회(PCAST) 외부 공동의장으로 지명되었다. 바이든 전환 팀과 협력하여 행정부 역할 수행 과학자를 식별하는 데 도움을 주고 있으며, 주요 업무는 PCAST 추가 구성원 선택, 그룹 위한 과학적 의제 설정 작업이라고 밝혔다.

3. 1. 연구

아널드는 지향적 진화를 활용하여 효소의 기능을 개선하거나 새로운 기능을 부여하는 연구를 개척했다. 자연 선택이 오랜 시간에 걸쳐 점진적으로 일어나는 것과 달리, 아널드는 단백질에 돌연변이를 도입하고 그 효과를 테스트하는 방식으로 진화 과정을 가속화했다. 이 과정에서 그녀는 생화학 지식을 활용하여 돌연변이의 범위를 좁히고, 단백질의 특정 영역에 집중함으로써 효율성을 높였다.[27]

아널드는 1993년 유기 용매인 DMF에서 활성을 갖는 서브틸리신 E 효소를 지향적 진화 방법을 통해 개발했다. 이후에도 지속적인 연구를 통해 다양한 온도 조건에서 작동하거나, 기존에 알려지지 않은 화학 반응을 촉매하는 효소를 발견하는 등 연구 범위를 확장했다.[27]

또한, 아널드는 개별 효소뿐만 아니라 생합성 경로 전체를 최적화하는 연구도 진행했다. 카로티노이드와 ''대장균''의 L-메티오닌 생산 경로를 개선하고, 바이오 연료 생산에 적용하는 연구를 수행했다.[27]

아널드는 산업 화학 합성 절차를 대체할 수 있는 친환경적인 효소를 개발하는 연구에도 기여했다. 그녀의 연구는 부산물을 줄이고, 유해 물질 사용을 최소화하는 데 초점을 맞추고 있다.[27]

캘리포니아 공과대학에서 아널드는 지향적 진화와 환경 친화적인 화학 합성 및 녹색/대체 에너지에서의 응용 분야, 특히 고활성 효소(셀룰로 분해 효소 및 생합성 효소)와 재생 가능한 바이오매스를 연료 및 화학 물질로 전환하는 미생물 개발에 대한 연구를 계속 진행하는 연구실을 운영하고 있다. 2019년 1월 2일, Inha Cho와 Zhi-Jun Jia가 함께 발표한 Science 논문은 결과가 재현 불가능한 것으로 밝혀져 철회되었다.[40]

는 제거되어야 하는 템플릿이므로 제거한다.

아널드는 구글 학술 검색에 따르면 147의 h-index를 가지고 있다.[41]

3. 1. 1. 주요 연구 성과

아널드는 향상되거나 새로운 기능을 가진 효소(화학 반응을 촉매하거나 가속화하는 생화학 분자, 주로 단백질)를 생성하기 위해 지향적 진화를 사용한 선구자로 알려져 있다.[105] 지향적 진화 전략은 기능이 개선된 단백질에 대한 반복적인 돌연변이 유발 및 스크리닝을 포함하며, 효소, 대사 경로, 유전자 조절 회로 및 유기체를 포함한 유용한 생물학적 시스템을 만드는 데 사용되었다. 자연에서 자연 선택에 의한 진화는 생물학적 작업을 수행하는 데 적합한 단백질(효소 포함)로 이어질 수 있지만, 자연 선택은 기존 서열 변이(돌연변이)에만 작용할 수 있으며 일반적으로 장기간에 걸쳐 발생한다.[106] 아널드는 단백질의 기본 서열에 돌연변이를 도입하여 이 과정을 가속화한다. 그런 다음 이러한 돌연변이의 효과를 테스트한다. 돌연변이가 단백질의 기능을 향상시키는 경우, 이 과정을 반복하여 최적화할 수 있다. 이 전략은 다양한 응용을 위해 단백질을 설계하는 데 사용될 수 있기 때문에 광범위한 의미를 갖는다.[107] 예를 들어, 아널드는 환경에 덜 해를 끼치면서 재생 가능한 연료와 제약 화합물을 생산하는 데 사용할 수 있는 효소를 설계하기 위해 지향적 진화를 사용했다.[105]

지향적 진화의 장점은 돌연변이가 완전히 무작위일 필요가 없다는 것이다. 대신, 미개척 잠재력을 발견할 만큼 충분히 무작위적일 수 있지만 비효율적일 정도로 무작위적이지는 않다. 가능한 돌연변이 조합의 수는 천문학적이지만, 가능한 한 많은 것을 무작위로 테스트하는 대신 생화학 지식을 통합하여 옵션을 좁히고, 가능성이 가장 높은 단백질 영역에 돌연변이를 도입하는 데 중점을 둔다. 활성에 긍정적인 영향을 미치고 돌연변이가 기껏해야 중립적이고 최악의 경우 유해할 가능성이 있는 영역(예: 적절한 단백질 접힘 방해)을 피한다.[105]

아널드는 효소 최적화에 지향적 진화를 적용했다. (이 일을 수행한 최초의 사람은 아니다. 예를 들어 배리 홀 참조[108]) 1993년에 발표된 중요한 작업에서 이 방법을 사용하여 매우 부자연스러운 환경인 유기 용매 DMF에서 활성인 서브틸리신 E 버전을 조작했다.[109] 오류 가능성이 있는(error-prone) PCR을 통해 박테리아에 의해 발현되는 효소 유전자의 돌연변이 유발을 4번 연속적으로 사용하여 작업을 수행했다. 각 라운드 이후 효소의 가수분해 능력을 검사했다.[105] 이 방법을 사용하여 프랜시스 아널드는 원래 효소보다 DMF에서 256배 더 많은 활성을 가진 효소를 발견했다.[32]

그녀는 자신의 방법을 더욱 발전시키고, 다른 기능에 맞게 효소를 최적화하기 위해 다른 선택 기준을 적용했다. 그녀는 자연적으로 진화된 효소가 좁은 온도 범위에서 잘 작동하는 경향이 있는 반면, 지향적 진화를 사용하여 고온과 저온 모두에서 기능할 수 있는 효소를 생산할 수 있음을 보여주었다.[27] 자연 효소의 기존 기능을 향상시키는 것 외에도 아널드는 사이토크롬 P450을 진화시켜 사이클로프로판화[33] 및 카벤 및 니트렌 전달 반응을 수행하는 것과 같이 이전에는 특정 효소가 존재하지 않았던 기능을 수행하는 효소를 발견했다.[27][34]

개별 분자의 진화 외에도, 그녀는 카로티노이드[35]와 ''대장균''의 L-메티오닌[36] (전체 세포 생물 촉매로 사용될 가능성이 있음)의 생산과 관련된 생합성 경로에서 효소를 공동 진화시키는 데 지향적 진화를 사용했다.[27] 그녀는 이러한 방법을 바이오 연료 생산에 적용했다. 예를 들어, 그녀는 이소부탄올 바이오 연료를 생산하도록 세균을 진화시켰다. 이소부탄올은 ''대장균'' 세균에서 생산될 수 있지만, 생산 경로는 조효소 NADPH를 필요로 하는 반면, 대장균은 조효소 NADH를 만든다. 이 문제를 해결하기 위해, 그녀는 이소부탄올 생산을 허용하는 NADPH 대신 NADH를 사용하도록 경로의 효소를 진화시켰다.[27][37]

아널드는 또한 일부 산업 화학 합성 절차의 친환경적인 대안으로 사용할 수 있는 매우 특이적이고 효율적인 효소를 발견하기 위해 지향적 진화를 사용했다.[27] 그녀와 그녀의 방법을 사용하는 다른 연구자들은 더 적은 부산물로 더 빨리 합성 반응을 수행할 수 있고, 어떤 경우에는 유해한 중금속의 필요성을 제거할 수 있는 효소를 설계했다.[32]

그녀는 서로 다른 단백질의 부분을 결합하여 고유한 기능을 가진 단백질 키메라를 형성하기 위해 구조 지향 단백질 재조합을 사용한다. 그녀는 SCHEMA와 같은 계산 방법을 개발하여 키메라가 제대로 접히도록 부모 구조를 방해하지 않고 부분을 결합할 수 있는 방법을 예측한 다음 지향적 진화를 적용하여 키메라를 추가로 돌연변이시켜 기능을 최적화한다.[38][39]

4. 수상 경력

연도수상 내역
2025년프리스트리상
2023년Perkin Medal
2020년왕립 학회 외국인 회원
2019년덴마크 기술 대학교 명예 박사 학위, 바우어상
2018년노벨 화학상, 미국 철학 학회 회원, 왕립 공학 아카데미 국제 펠로우
2017년레이먼드와 베벌리 쌔클러 융합 연구상, 일리노이 대학교 스필겔만 강연, 여성 엔지니어 협회 공로상, 다트머스 대학교 명예 과학 박사 학위
2016년시카고 대학교 명예 박사 학위, 밀레니엄 기술상
2015년ETH 취리히 명예 과학 박사 학위, 엘머 가든 상 (생명 공학 및 생물 공학)
2014년국립 발명가 명예의 전당 헌액, 미국 공로 아카데미 골든 플레이트 상
2013년에마누엘 머크 강연상, ENI 재생 에너지 및 비전통 에너지 상, 스톡홀름 대학교 명예 과학 박사 학위, 미국 국가 기술상
2011년찰스 스타크 드레이퍼 상, 국가 기술 혁신 메달, 미국 예술 과학 아카데미 회원
2010년미국 과학 진흥 협회 펠로우
2009년미국 미생물학 아카데미 펠로우
2008년미국 국립 과학 아카데미 회원
2007년FASEB 과학 우수성 상, 엔지니어링 컨퍼런스 인터내셔널 및 제넨코어의 효소 공학 상
2005년프랜시스 P. 가반–존 M. 올린 메달 (미국 화학 학회)
2001년미국 의학 및 생물 공학 연구소 펠로우
2000년미국 국립 공학 아카데미 회원


5. 대중 매체 출연

아널드는 TV 시리즈 빅뱅 이론 시즌 12의 18번째 에피소드 "The Laureate Accumulation"에 본인 역으로 출연했다.[77] 2021년 9월, PME UChicago 10주년 행사에서 그녀는 이 출연이 자신의 인생에서 가장 큰 영예였다고 농담했다. 또한, NOVA 에피소드 ''Beyond the Elements: Life''에서 짧은 인터뷰를 가졌으며, 2022년 9월 6일 BBC의 The Life Scientific에서 짐 알-칼릴리와 인터뷰를 했다.[56]

참조

[1] 웹사이트 Frances H. Arnold – Facts – 2018 https://www.nobelpri[...] Nobel Media AB 2018-10-03
[2] 웹사이트 The Nobel Prize {{!}} Women who changed science {{!}} Frances H. Arnold https://www.nobelpri[...] 2020-02-07
[3] 뉴스 Arnold Named Co-Chair of President-elect Biden's Science and Technology Advisory Council https://www.caltech.[...] 2021-04-23
[4] 웹사이트 Frances Arnold: From taxi driver to Nobel Prize https://www.bbc.co.u[...] BBC
[5] 서적 Memorial Tributes https://www.nap.edu/[...] National Academies Press 2017-09-26
[6] 뉴스 She cut chemistry at Allderdice. Now Pittsburgh native Frances Arnold shares Nobel Prize in chemistry. http://www.post-gaze[...] 2018-10-03
[7] 뉴스 Frances Arnold's Directed Evolution http://www.businessw[...] 2012-09-01
[8] 웹사이트 Meet Frances Arnold, Teenage Rebel Turned Nobel Laureate {{!}} College of Chemistry https://chemistry.be[...] 2020-10-30
[9] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2018 https://www.nobelpri[...] 2020-10-30
[10] 뉴스 Princeton engineering alumna Frances Arnold wins Nobel Prize in Chemistry https://www.princeto[...] 2018-10-04
[11] 뉴스 The Director of Evolution http://www.slate.com[...] 2018-10-05
[12] 뉴스 Evolution Gets an Assist https://paw.princeto[...] 2018-10-05
[13] PhD Design and Scale-Up of Affinity Separations) https://www.proquest[...] University of California, Berkeley 1985
[14] 웹사이트 Frances H. Arnold https://www.nae.edu/[...] 2018-10-03
[15] 웹사이트 A to G {{!}} Harvey W. Blanch http://stage.cchem.b[...] 2018-10-03
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[17] 뉴스 Frances Arnold Wins 2018 Nobel Prize in Chemistry {{!}} Caltech http://www.caltech.e[...] 2018-10-04
[18] 웹사이트 Rosen Bioengineering Center https://www.rosen.ca[...] 2024-07-28
[19] 웹사이트 Frances Arnold Wins Nobel Prize in Chemistry https://www.santafe.[...] 2019-07-25
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[22] 웹사이트 Nobelist Frances Arnold Is Nudging Nature To Make Your World Greener, One Small Evolution At A Time https://www.forbes.c[...] 2020-03-03
[23] 뉴스 This Nobel winner lost a son and two husbands and survived cancer https://www.nbcnews.[...] 2018-10-05
[24] 웹사이트 Board of Directors https://www.illumina[...] 2018-10-08
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[28] 서적 Directed Molecular Evolution of Proteins Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
[29] 논문 Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2018 https://old.nobelpri[...] 2018-10-03
[30] 논문 Experimental Evolution of a New Enzymatic Function. II. Evolution of Multiple Functions for EBG Enzyme in E. coli 1978
[31] 논문 Tuning the activity of an enzyme for unusual environments: sequential random mutagenesis of subtilisin E for catalysis in dimethylformamide. 1993-06-15
[32] 논문 A (r)evolution in chemistry https://old.nobelpri[...] 2018-10-03
[33] 논문 Olefin cyclopropanation via carbene transfer catalyzed by engineered cytochrome P450 enzymes https://authors.libr[...] 2013-01-18
[34] 논문 Asymmetric Enzymatic Synthesis of Allylic Amines: A Sigmatropic Rearrangement Strategy 2016-04-04
[35] 논문 Molecular breeding of carotenoid biosynthetic pathways 2000-07-01
[36] 논문 Inverting enantioselectivity by directed evolution of hydantoinase for improved production of L-methionine 2000-03-01
[37] 논문 Engineered ketol-acid reductoisomerase and alcohol dehydrogenase enable anaerobic 2-methylpropan-1-ol production at theoretical yield in Escherichia coli https://authors.libr[...] 2011-05
[38] 웹사이트 Structure-guided protein recombination https://cheme.che.ca[...] 2018-10-03
[39] 논문 Structure-guided SCHEMA recombination of distantly related β-lactamases https://academic.oup[...] 2006-11-06
[40] 뉴스 Nobel Prize-winning scientist retracts paper https://www.bbc.co.u[...] 2020-01-03
[41] 문서 REDIRECT
[42] 간행물 In Appreciation:James E. Bailey, 1944–2001 2002
[43] 뉴스 Frances Arnold: Career path of a Caltech scientist https://www.latimes.[...] 2018-10-05
[44] 뉴스 Frances Arnold Turns Microbes Into Living Factories https://www.nytimes.[...] 2020-10-20
[45] 웹사이트 Andrew E. Lange '80 https://paw.princeto[...] Princeton Alumni Weekly 2018-10-03
[46] 뉴스 Andrew Lange, Scholar of the Cosmos, Dies at 52 https://www.nytimes.[...] 2018-10-03
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[48] 웹사이트 Frances H. Arnold – Caltech Arnold Lab Reflections http://arnoldlabrefl[...] 2018-10-04
[49] 뉴스 50 engineering leaders become Fellows of the Royal Academy of Engineering https://www.raeng.or[...] 2018-10-04
[50] 뉴스 Evolutionary engineer Frances Arnold wins €1m tech prize – BBC News https://www.bbc.com/[...] 2016-05-25
[51] 웹사이트 2017 Raymond and Beverly Sackler Prize in Convergence Research http://www.nasonline[...] National Academy of Sciences 2017-03-11
[52] 뉴스 Nobel Prize in Chemistry Honors Work That Demonstrates 'The Power of Evolution' https://www.npr.org/[...] 2018-10-04
[53] 뉴스 Frances Arnold Becomes First American Woman To Win Nobel Prize in Chemistry https://www.huffingt[...] 2018-10-04
[54] 뉴스 BBC 100 Women 2018: Who is on the list? https://www.bbc.com/[...] 2019-07-23
[55] 간행물 Resignations and Appointments, 24.10.2019 http://press.vatican[...] Holy See Press Office 2019-10-25
[56] 웹사이트 BBC Radio 4 – The Life Scientific, Frances Arnold: From taxi driver to Nobel Prize https://www.bbc.co.u[...] 2022-09-06
[57] 웹사이트 Awards. SCI America https://sci-america.[...] SCI America 2023-09-17
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