弗朗西絲·阿諾德

弗朗西絲·漢密爾頓·阿諾德（Frances Hamilton Arnold}}，1956年7月25日－） 美國化學工程師，專精領域為化學工程、生物工程學、生物化學。阿諾德與格雷格·溫特（Sir Gregory P. Winter）和喬治·P·史密斯（George P. Smith）於2018年共同獲得諾貝爾化學獎，是該獎第五位女性得主。

弗朗西絲·阿諾德 Frances Arnold
圖片來源
出生	(1956-07-25) 1956年7月25日 美國賓夕法尼亞州匹茲堡
國籍	美國
母校	普林斯頓大學 加利福尼亞大學柏克萊分校 加利福尼亞理工學院
機構	加利福尼亞理工學院
研究領域	化學工程 生物化學
獎項	查爾斯·斯塔克·德雷珀獎（2011） 千禧技術獎（2016） 諾貝爾化學獎（2018）

目錄

研究

對該領域「一無所知」的女科學家阿諾德

• 阿諾德2014年被選為美國國家發明家名人堂（NIHF）時說道：「當我開始設計蛋白質時，我不知道它會有多難。經過一系列失敗的實驗後，我意識到我必須找到一種不同的方法來解決這個問題。」

人的思考是有限的

• 在1980年代末期，許多學者企圖使用推理的策略來重塑酵素，讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子，它們是由20種不同的結構單元 – 胺基酸 – 以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的，一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸，它們連結成長鏈的型態，進一步摺疊成三維的立體結構，用來催化特定化學反應的局部結構，是建立在整體結構的內部。

• 運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整，以賦予其新的功能，即便是運用電腦能力，亦是非常困難的。在1990年代初期，阿諾德決定放棄上述的策略，取而代之，她使用大自然優化化學的方法：演化。

阿諾德開始操弄演化

• 透過實驗，阿諾德展示了，若要掌控新酵素的研發，僅憑藉人的推理能力，將遠遜於讓機率以及定向(人為)選汰來運作的力量（如圖）。這是現在所見證的革命性發展之第一個，也是最具決定性的一步。註：在演化學中，我們說的是適者生存；在定向演化學中，這個階段稱為」選汰」。

原圖鏈接 圖片來源：2018年諾貝爾化學獎（by 蔡蘊明）

交配 ─ 為了更穩定的演化

• 接下來的另一重要步伐，是由一位荷蘭研究人員及發明家 Willem P. C. Stemmer (史坦姆)所邁出的，但他已於2013年過逝。他引進了另一個酵素定向選汰的維度：試管中的交配。

• 史坦姆的概念：一個自然演化的先決條件是不同個體的基因可透過例如交配或授粉的方式混合，有用的性質可藉此結合而得到更強壯的生物體，在此同時，較不具功能的基因突變，將於代代相傳的過程中消失。

新酵素製出永續生質燃料

• 阿諾德的實驗室所產出的酵素能催化的化學反應，甚至於根本不存於大自然中而能製造出全新的材料，她裁製出的一些酵素也成為製造不同物質，例如一些藥物，的重要工具。化學反應不但可被加速，且減少不要的副產物，在某些例子中，可以去除透過傳統方法須使用的重金屬，因此大幅減少對環境的衝擊。

促成了一個更永續的世界

• 阿諾德的研究小組研發出一些酵素，能將一些簡單的糖轉化成異丁醇，那是一種具有高能量的物質，可用於製造生質燃料和較永續的塑膠。一個長程目標是製造出的燃料能讓運輸業更為環境友善，另類燃料 – 用阿諾德的蛋白質所製造的 – 能用在車輛或飛機上。以這樣的方式，她的酵素促成了一個更永續的世界。

獲得諾貝爾化學獎原因

女科學家阿諾德的特殊貢獻在於「酶的定向演化」（for the directed evolution of enzymes），即將定向演化應用於酵素製作的研究先驅。酶是一種大分子生物催化劑，能加快化學反應速度；而定向演化則是一種蛋白質工程技術，指的是模仿天擇過程，讓蛋白質與核酸（nucleic acids）演化到實驗者設定的目標。由於酶是化學反應的重要催化劑，她的研究促成了該技術廣泛運用於生產生物燃料、製藥等化工、生物工程領域。

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