Джей Кислинг

Джей Кислинг
Доктор Джей Д. Кислинг выступает на энергетическом салоне PopTech 2011 в Нью-Йорке.
Альма-матер	Университет Небраски-Линкольн Мичиганский университет
Известный	метаболическая инженерия
Награды	Грант Фонда Билла и Мелинды Гейтс , премия Хайнца в области технологий, экономики и занятости
Научная карьера
Учреждения	Калифорнийский университет в Беркли , Университет Небраски-Линкольн , Мичиганский университет
Диссертация	Динамика и контроль репликации бактериальных плазмид   (1991).
Докторантура	Бернхард Палссон
Докторанты	Кристала Джонс Пратер
Другие известные студенты	Мишель С. Чанг
Веб-сайт	Кислинглаб .lbl .gov Твиттер .с /Джейкислинг

Джей Д. Кислинг — профессор химического машиностроения и биоинженерии в Калифорнийском университете в Беркли . Он также является заместителем директора лаборатории биологических наук в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и главным исполнительным директором Объединенного института биоэнергетики . Он считается одним из выдающихся авторитетов в области синтетической биологии , особенно в области метаболической инженерии .

Кислинг был избран членом Национальной инженерной академии в 2010 году за разработку инструментов синтетической биологии для разработки противомалярийного препарата артемизинина.

Образование

Кислинг получил степень бакалавра в Университете Небраски-Линкольн , где он был членом Международного братства Дельта Тау Дельта . В 1991 году он получил степень доктора философии в Мичиганском университете под руководством Бернхарда Палссона . Кислинг проводил постдокторские исследования вместе с Артуром Корнбергом в Стэнфордском университете в 1991–1992 годах.

Исследовать

ток Кислинга исследовать специализируется на инженерной химии внутри микроорганизмов, области, известной как метаболическая инженерия, для производства полезных химикатов или очистки окружающей среды. Во многом так же, как синтетическая органическая и промышленная химия позволила химикам и инженерам-химикам производить из ресурсов ископаемого топлива химические вещества, которые мы используем каждый день, метаболическая инженерия может произвести революцию в производстве некоторых из тех же самых полезных химикатов и других полезных веществ из возобновляемых ресурсов, таких как сахар и целлюлозная биомасса. В течение многих лет работа в области метаболической инженерии была ограничена отсутствием ферментов для выполнения необходимых химических процессов и инструментов для манипулирования и мониторинга химических процессов внутри клеток. Видя потребность в более совершенных генетических инструментах, Кислинг начал работать над разработкой генетических инструментов — областью, ныне известной как синтетическая биология. Лаборатория Кислинга разработала или внедрила множество новейших аналитических инструментов для устранения ошибок в наших генетических манипуляциях. Лаборатория Кислинга применила метаболическую химию для решения ряда реальных проблем, включая производство противомалярийного препарата артемизинина и биотоплива. Кислинг опубликовал более 300 статей в рецензируемых журналах и имеет более 30 выданных патентов.

Артемизинин

Малярия — это глобальная проблема здравоохранения, которая угрожает 300–500 миллионам человек и ежегодно убивает более одного миллиона человек. Лекарства на основе хлорохина, которые широко использовались в прошлом, утратили эффективность, поскольку паразит Plasmodium, вызывающий малярию, стал к ним устойчив. Артемизинин, эндопероксид сесквитерпенового лактона , экстрагированный из Artemisia annua L, высокоэффективен против Plasmodium spp. устойчив к другим противомалярийным препаратам. Однако существует несколько проблем с современными методами производства артемизинина. Во-первых, комбинированная терапия артемизинином (АКТ) слишком дорога для людей в развивающихся странах. Во-вторых, артемизинин извлекается из A. annua , а его выход и консистенция зависят от климата и процесса экстракции. Хотя существует метод химического синтеза артемизинина, он слишком низкопродуктивен и, следовательно, слишком дорог для использования в производстве недорогих лекарств. В-третьих, хотя Всемирная организация здравоохранения рекомендовала включать артемизинин в состав АКТ с другими активными фармацевтическими ингредиентами, многие производители все еще производят монотерапию артемизинином, что увеличивает вероятность того, что Plasmodium spp. разовьется устойчивость к артемизинину.

Лаборатория Кислинга в Калифорнийском университете в Беркли разработала как Escherichia coli , так и Saccharomyces cerevisiae для производства артемизиновой кислоты, предшественника артемизинина, производную которого можно получить с помощью проверенной, простой и недорогой химии с образованием артемизинина или любого производного артемизинина, используемого в настоящее время для лечения малярии. . Микроорганизмы были созданы с использованием десятиферментного пути биосинтеза с использованием генов Artemisia annua , Saccharomyces cerevisiae и Escherichia coli (всего двенадцать генов) для преобразования простого и возобновляемого сахара, такого как глюкоза, в сложную химическую структуру противомалярийного препарата. препарат артемизинин. Сконструированный микроорганизм способен секретировать конечный продукт из клетки, тем самым очищая его от всех других внутриклеточных химических веществ и снижая затраты на очистку и, следовательно, стоимость конечного лекарства. Учитывая существование известных, относительно высокопроизводительных химических процессов превращения артемизиновой кислоты в артемизинин или любое другое производное артемизинина, артемизиновая кислота, производимая микробами, является жизнеспособным, возобновляемым и масштабируемым источником этого мощного семейства противомалярийных препаратов.

Критическим элементом работы Кислинга была разработка генетических инструментов, помогающих манипулировать микробным метаболизмом, особенно для недорогих продуктов, требующих высоких выходов сахара. Его лаборатория разработала однокопийные плазмиды для экспрессии сложных метаболических путей, промотор системы, позволяющие регулировать транскрипцию последовательно во всех клетках культуры, технологии стабилизации мРНК для регулирования стабильности сегментов мРНК, и подход белковой инженерии, позволяющий прикрепить несколько ферментов метаболического пути к синтетическому белковому каркасу для увеличения потока пути. Эти и другие инструменты экспрессии генов теперь позволяют точно контролировать экспрессию генов, которые кодируют новые метаболические пути, чтобы максимизировать химическое производство, минимизировать потери побочных продуктов и минимизировать накопление токсичных промежуточных продуктов, которые могут отравить микробного хозяина, и все это важны для экономичного производства этого важного препарата.

Другим важным аспектом работы Кислинга было открытие химического состава и ферментов Artemisia annua, ответственных за синтез артемизинина. Эти ферменты включали цитохром P450, который окисляет аморфадиен до артемизиновой кислоты, и окислительно-восстановительные партнеры, которые переносят восстанавливающие эквиваленты от фермента к кофакторам. Открытие этих ферментов и их функциональной экспрессии как в дрожжах, так и в E. coli , наряду с другими девятью ферментами метаболического пути, позволило этим двум микроорганизмам производить артемизиновую кислоту. S. cerevisiae был выбран для крупномасштабного производственного процесса и в дальнейшем был модифицирован для улучшения производства артемизиновой кислоты.

Процесс микробного производства Кислинга имеет ряд преимуществ перед экстракцией из растений. Во-первых, микробный синтез снизит стоимость артемизинина, самого дорогого компонента комбинированной терапии на основе артемизинина, — в десять раз — и, следовательно, сделает противомалярийные препараты, полученные из артемизинина, более доступными для людей в развивающихся странах. Во-вторых, погодные условия или политический климат, которые в противном случае могли бы повлиять на урожайность или стоимость растительной версии препарата, не повлияют на микробный источник препарата. В-третьих, микробное производство артемизинина в больших резервуарах позволит более тщательно распределять артемизинин среди законных производителей лекарств, которые разрабатывают комбинированную терапию артемизинином, а не монотерапию. Это, в свою очередь, замедлит развитие устойчивости к этому препарату. В-четвертых, на 2011 год и далее прогнозируется острая нехватка артемизинина растительного происхождения, что приведет к увеличению стоимости комбинированной терапии артемизинином. Наконец, артемизиновая кислота, полученная микробным путем, позволит производить новые производные артемизинина, к которым плазмодии могут быть неустойчивы, тем самым продлевая время, в течение которого можно использовать артемизинин.

Чтобы гарантировать, что разработанный им процесс принесет пользу людям в развивающемся мире, Кислинг собрал уникальную команду, состоящую из своей лаборатории в Калифорнийском университете в Беркли, компании Amyris Biotechnologies (компании, основанной на этой технологии) и Института OneWorld Health (организации, основанной на этой технологии). некоммерческая фармацевтическая компания, расположенная в Сан-Франциско). Помимо формирования команды, Кислинг разработал модель интеллектуальной собственности, гарантирующую, что артемизинин, полученный из микроорганизмов, можно будет предлагать как можно дешевле людям в развивающихся странах: патенты, полученные в результате его работы в UCB, лицензируются без лицензионных отчислений Amyris Biotechnologies и Институт OneWorld Health для использования в производстве артемизинина, если они не получают прибыль от продажи артемизинина в развивающихся странах. В декабре 2004 года команда была профинансирована Фондом Билла и Мелинды Гейтс для разработки процесса производства микробов. Научные исследования были завершены в декабре 2007 года. В 2008 году Санофи-Авентис лицензировала технологию и работала с Амирис над разработкой производственного процесса. Санофи-Авентис произвела 35 тонн. артемизинина с использованием микробного производственного процесса Кислинга, которого достаточно для 70 миллионов процедур. Распространение комбинированных препаратов артемизинина, содержащих артемизинин микробного происхождения, началось в августе 2014 года: в Африку было отправлено 1,7 миллиона препаратов. Ожидается, что с использованием этой технологии будет производиться 100–150 миллионов препаратов и ежегодно отправляться в Африку, Азию и Южную Америку.

Биотопливо

Возобновляемые виды топлива необходимы для всех видов транспорта, но большинство видов топлива, полученного из микробов, можно использовать лишь в виде небольшой доли бензина в обычных двигателях с искровым зажиганием. Лаборатория Кислинга создала микроорганизмы для производства углеводородов, свойства которых аналогичны топливам, которые сейчас получают из нефти. Эти виды топлива синтезируются из сахаров растительного происхождения, таких как целлюлозное сырье, которое имеет небольшую экономическую ценность. Следовательно, микробы могут минимизировать выбросы углекислого газа за счет минимизации затрат энергии на добычу топлива, например морское бурение и гидроразрыв пласта.

Кислинг и его коллеги продемонстрировали, что Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae могут быть созданы для производства биотоплива на основе жирных кислот — этиловых эфиров жирных кислот. алкены, и метилкетоны. Поскольку линейные углеводороды являются ключевыми компонентами дизельного топлива, эти виды биотоплива являются превосходной заменой дизельному топливу. Однако топливо, содержащее только длинные линейные углеводородные цепи, замерзает в холодных условиях. Чтобы разработать топливо, подходящее для холодного применения, лаборатория Кислинга разработала E. coli и S. cerevisiae для производства разветвленных и циклических углеводородов с использованием пути биосинтеза изопреноидов: изопентанол, заменитель бензина; пинен, заменитель реактивного топлива; и бисаболен, заменитель дизельного топлива. Поскольку изопреноиды добавляют метильную боковую цепь на каждые четыре атома углерода в основной цепи, топлива, изготовленные из изопреноидов, имеют очень низкие температуры замерзания и помутнения, что делает их пригодными для использования в дизелях в холодную погоду и в качестве реактивного топлива.

Одной из самых больших проблем при расширении масштабов микробной ферментации является стабильность микробного штамма: сконструированный микроорганизм будет пытаться мутировать или отказаться от метаболического пути, отчасти потому, что промежуточные продукты метаболического пути накапливаются и токсичны для клеток. Чтобы сбалансировать поток путей и снизить стоимость производства желаемого биотоплива, лаборатория Кислинга разработала динамические регуляторы, позволяющие определять уровни промежуточных продуктов в пути и регулировать активность пути. Эти регуляторы стабилизировали путь и клетку и улучшили выход биотоплива, что позволило выращивать сконструированные клетки в крупномасштабных ферментационных резервуарах для производства топлива.

Многие из лучших видов топлива и химикатов токсичны для организма-производителя. Одним из способов ограничения токсичности топлива является активная откачка топлива из элемента. Чтобы определить насосы, идеально подходящие для конкретного топлива, Кислинг и его коллеги провели биоразведку микроорганизмов окружающей среды для множества различных трехкомпонентных транспортеров и выбрали насосы, наиболее эффективные для конкретного топлива. Эти транспортеры позволили E. coli расти в присутствии топлива и, как следствие, производить больше целевого топлива, чем она была бы в состоянии сделать это в отсутствие транспортера.

Исходные материалы (обычно сахара) являются наиболее важным фактором стоимости производства биотоплива. Целлюлозу, потенциально дешевый исходный материал, необходимо деполимеризовать в сахара путем добавления дорогостоящего коктейля ферментов. Один из способов снизить эти затраты — создать микроба, производящего топливо, который также будет производить ферменты для деполимеризации целлюлозы и гемицеллюлозы. Недавно лаборатория Кислинга продемонстрировала, что микроорганизм можно сконструировать для синтеза и секреции ферментов для деполимеризации целлюлозы и гемицеллюлозы в сахара и для производства заменителя бензина (бутанол), заменителя дизельного топлива (этиловый эфир жирной кислоты) или заменителя реактивного топлива. (пинен).

Как технологическая платформа, производство биотоплива сталкивается с огромными экономическими препятствиями, многие из которых зависят от рыночных цен на сырую нефть и другие виды топлива из традиционных источников. Тем не менее, метаболическая инженерия — это технология, которая становится все более конкурентоспособной и, как ожидается, к 2020 году будет иметь далеко идущие последствия.

Награды

• Окончание с отличием Университета Небраски, 1986 г.
• Стипендия Риджентс, Университет Небраски, 1982–1986 годы.
• Постдокторская стипендия НИЗ, Стэнфордский университет, 1991–1992 годы.
• Стипендия молодых преподавателей Зенеки, Zeneca Ltd., 1992–1997 годы.
• Премия КАРЬЕРА, Национальный научный фонд, 1995 г.
• Стипендия молодых преподавателей Chevron, Chevron, 1995 г.
• Премия AIChE за выдающиеся достижения в области химической инженерии в академическом преподавании, отделение Северной Калифорнии Американского института инженеров-химиков, 1999 г.
• Избранный член Американского института медицинской и биологической инженерии, 2000 г.
• Лектор Мемориала Аллана П. Колберна, факультет химической инженерии, Университет Делавэра, 2002 г.
• Первый лектор Шварца, факультет химической инженерии, Университет Джонса Хопкинса, 2003 г.
• Преподаватель сине-зеленого факультета химического машиностроения Мичиганского университета и факультета химической инженерии и материаловедения Мичиганского государственного университета, 2005 г.
• Седьмая ежегодная лекция «Границы биотехнологии», факультет химической инженерии, Массачусетский технологический институт, 2005 г.
• Пионер технологий, Всемирный экономический форум, 2005 г.
• Ученый года по версии журнала Discover , 2006 г.
• Лекция Истмана, факультет химического машиностроения, Технологический институт Джорджии, 2007 г.
• Исследовательский проект года, отделение Северной Калифорнии Американского института инженеров-химиков, 2007 г.
• Избранный член Американской академии микробиологии, 2007 г.
• Премия за профессиональный прогресс, Американский институт инженеров-химиков, 2007 г.
• Лектор Трумэна, Национальные лаборатории Сандии, 2007 г.
• Премия Visionary, Bay Bio, 2007 г.
• Признание секции Sierra за лидерство в профессии химического инженера, Американский институт инженеров-химиков - секция Северной Калифорнии, 2008 г.
• Почетный семинар Паттена, факультет химического машиностроения, Университет Колорадо, 2008 г.
• 2008 г., заслуженный преподаватель Бриттона Ченса, факультет химической и биомолекулярной инженерии и Института медицины и техники, Пенсильванский университет, 2008 г.
• Премия канцлера за государственную службу за исследования в общественных интересах, Калифорнийский университет, Беркли, 2009 г.
• Шестнадцатая выдающаяся лекция Ф.А. Бурка по биотехнологии, Центр передовой биотехнологии и факультет биомедицинской инженерии, Бостонский университет, 2009 г.
• 2009 г. Университетские лекции по химии, химический факультет, Бостонский колледж, 2009 г.
• Первая гуманитарная премия в области биотехнологий, Организация биотехнологической промышленности (BIO), 2009 г.
• Лекция Данквертса, Всемирный конгресс по химической технологии, 2009 г.
• Почетная лекция Кокса, Вашингтонский университет, 2009 г. Лекция Эшленда, Университет Кентукки, 2009 г.
• ЛГБТ-инженер года, Национальная организация геев и лесбиянок, ученых и технических специалистов , 2010 г.
• Национальная инженерная академия , 2010 г.
• Лекции Айринга по химии и биохимии, Университет штата Аризона, 2010 г.
• Лекция Treat B Johnson, химический факультет Йельского университета, 2010 г.
• Лекция Отдела O (ферментация и биотехнология), Американское общество микробиологии, 2010 г.
• Президентская премия «За зеленую химию», Агентство по охране окружающей среды США, 2010 г.
• Лекция Кевауни, Инженерная школа Пратта, Университет Дьюка, 2011 г.
• Лекция по стипендии Тетельмана, Колледж Джонатана Эдвардса, Йельский университет, 2012 г.
• Генри МакГи, преподаватель, Инженерный факультет Университета Содружества Вирджинии, 2012 г.
• Лекция Каца, факультет химической инженерии, Мичиганский университет, 2012 г.
• Лекция Хойермана, Институт сельского хозяйства и природных ресурсов, Университет Небраски-Линкольн, 2012 г.
• Международная премия в области метаболической инженерии, Общество метаболической инженерии, 2012 г.
• 18-я ежегодная премия Хайнца в области технологий, экономики и занятости, Фонд семьи Хайнц, 2012 г.
• Премия Марвина Джонсона в области микробных и биохимических технологий, Отдел биохимических технологий, Американское химическое общество, 2013 г.
• Премия Промега за биотехнологические исследования, Американское общество микробиологии, 2013 г.
• Премия Джорджа Вашингтона Карвера за инновации в промышленной биотехнологии, Организация биотехнологической промышленности, 2013 г.
• Премия отдела пищевых продуктов, фармацевтики и биоинженерии, Отдел пищевых продуктов, фармацевтики и биоинженерии, Американский институт инженеров-химиков, 2013 г.
• Лекторская премия Германа С. Блока, химический факультет Чикагского университета, 2014 г.
• Лекторская премия Мемориала Аруна Гутиконды, химический факультет, Колумбийский университет, 2014 г.
• Лекции на премию Девона Уолтера Мика, химический факультет, Университет штата Огайо, 2014 г.
• Премия Eni за возобновляемые источники энергии, Eni SpA, 2014 г.
• Премия «Инноватор» – биологические науки, Economist , 2014 г. журнал
• Национальная академия изобретателей, 2014 г.

Компании

Кислинг является основателем Amyris (совместно с Винсентом Мартином, Джеком Ньюманом, Нилом Реннингером и Кинкедом Рейлингом), LS9 (теперь часть REG с Джорджем Черчем и Крисом Соммервиллем) и Lygos (с Леонардом Кацем, Клемом Фортманом, Джеффри Дитрихом и Эриком Стином). ).

Личная жизнь

Кислинг родом из Гарварда, штат Небраска , и является открытым геем.

См. также

• ЛГБТ в науке

Внешние ссылки

• «Фонд Гейтса по продвижению синтетической биологии» . Cnet . Проверено 2 июля 2011 г.
• «В Беркли: разумно спроектированная молекулярная эволюция» . Проверено 2 июля 2011 г.
• «Джей Кислинг признан учёным года» . Новости Калифорнийского университета в Беркли . 15 ноября 2006 г. Проверено 2 июля 2011 г.
• Выступление Джея Кислинга на конференции PopTech