Carolyn Bertozzi — ABC Chemicals

Однажды тяжелый рокер Кэролайн Бертоцци сделала себе имя благодаря хитам и звуковой науке. Сара Хоултон наметила свой путь к успеху

Американский химик Кэролайн Бертоцци считает, что ее путь в науку был почти подсознательным. Ее отец был профессором физики в Массачусетском технологическом институте, но когда она начала учиться в близлежащем Гарвардском университете, у нее возникло желание заниматься музыкой. «Это было непопулярно среди моих родителей — двоюродный брат занялся музыкальной карьерой и в итоге работал в банке, чтобы заплатить за квартиру», — говорит она. «Я был немного робок, бросая им вызов». Вместо этого она выбрала трассу для дошкольного образования, которая включала занятия по математике и естественным наукам, и в конце первого года обучения в колледже объявила себя биологом. «Мне не очень понравился урок химии в первый год обучения», — утверждает она. «Это была просто коробка, которую я должен был проверить».

Многие студенты ждут столы, чтобы покрыть свои расходы в колледже, Бертоцци играл на клавишных и пел бэк-вокал в рок-группе под названием «Скучно в образовании».

Carolyn Bertozzi - ABC Chemicals

Источник: © Стэнфордский университет

Ее осознание того, что ей интересна химия, пришло на урок органической химии на втором курсе. «Его репутация заключалась в том, что профессора намеренно делали это изнурительным и трудным», — говорит она. Ее сокурсники жаловались, что это была слишком большая тренировка памяти, но она была вдохновлена. «Это был класс, который мне понравился больше всего, и я не нашел его утомительным. Это соответствовало моему мозгу.

Год спустя она сменила специальность с биологии на химию. Однако музыка не совсем отошла на второй план. В то время как многие студенты ждут столов, чтобы покрыть свои расходы в колледже, Бертоцци играл на клавишных и пел бэк-вокал в рок-группе. «Это было в 1980-х, и мы были хэви-метал группой под названием Bored of Education». Им платили за то, что они играли свои собственные сочиненные металлические песни и поп-каверы на таких мероприятиях, как студенческие вечеринки.

Это также привело к краткой встрече с известным гитаристом Томом Морелло, который после окончания университета отправился в Лос-Анджелес и создал группу Rage Against the Machine. Бертоцци не может не задаться вопросом, что могло бы быть, если бы она последовала его примеру. «Я не садился в этот автобус, и моя игра теперь ограничена:« Колеса в автобусе вращаются ». Я жду, когда мои сыновья станут достаточно взрослыми, чтобы оценить хэви-метал 1980-х!

Carolyn Bertozzi - ABC Chemicals

В поисках возможности

Студентам Гарвардского университета рекомендуется работать летом в исследовательских лабораториях. «Я пыталась устроиться на работу в лабораторию органической химии после моего [второго] года, но все они сказали, что они сыты», — говорит она. Вместо этого она оказалась в лаборатории, изучавшей окислительное повреждение мембран в Массачусетском госпитале для глаз и ушей. Она уже работала с профессором Иреной Кочевар несколько лет в неделю в качестве «гофера» в течение семестра, посещая библиотеку медицинской школы в трех милях отсюда с большой сумкой четвертей для фотокопий.

В то время лазерная хирургия глаза была новой вещью. «Важно было понять, будут ли повреждены ткани глаза хирургическими лазерами», — говорит она. Это был немного хаотичный опыт — она помогла сделать «призраков» из эритроцитов, осмотически шокировав их, чтобы они покинули мембраны, а затем облучив их лазером, чтобы увидеть, будут ли они повреждены.

«У меня появилось ощущение, что, может быть, не очень хорошая идея быть химиком-органиком».

Кэролин Бетоцци

Следующим летом у нее не было работы по органическому синтезу. «Я прошел первый курс по физической органической химии и познакомился с некоторыми аспирантами. Я посещал их лаборатории и думал, что они могут познакомить меня со своим PI (главным следователем), который может помочь мне устроиться на летнюю работу », — говорит она. Но это не так. «У меня появилось ощущение, что, может быть, не очень хорошая идея быть химиком-органиком».

Вместо этого она устроилась на работу в биохимическую лабораторию, но затем встретила Джо Грабовски, доцента по физической химии, который преподавал в этом выпускном классе. В его лаборатории был только один аспирант — в то время ассистентам Гарвардского университета было трудно набирать аспирантов из-за неопределенности относительно их собственных долгосрочных перспектив. Уровень успеха для получения должности был низким — штатные преподаватели, как правило, нанимались извне, оставляя новым ученым бороться, пока они не перешли в другой университет.

Грабовский был открыт для набора студентов вместо этого. «Однажды после занятий он спросил, хочу ли я провести лето в его лаборатории», — говорит она. «Я был поражен, что эта возможность оказалась у меня на коленях, поэтому я отказался от работы в биохимической лаборатории« План Б »».

Carolyn Bertozzi - ABC Chemicals

Разбираться в вещах на лету

Грабовски хотел начать проект в области фотоакустической калориметрии, измеряя волны давления, возникающие, когда фотовозбужденные молекулы расслабляются и излучают тепло, вызывая локальное расширение растворителя. «Вы можете поставить микрофон на край кюветы и слышать волны», — говорит она. «Амплитуда волны говорит вам о количестве энергии, которая рассеивается в виде тепла».

«Это был хороший опыт, когда мне передавали проект, который был у меня над головой, поэтому я должен был все выяснить на лету»

Кэролин Бертоцци

Бертоцци утверждает, что это было немного над ее головой. «В начале лета я не могла видеть путь от меня к инструменту», — говорит она. «Есть некоторые вещи, которые, вы можете быть уверены, никогда не произойдут — если я смотрю игру НБА, я точно знаю, что между мной и профессиональным баскетболистом нет пути! Но здесь должен был быть путь, и я каким-то образом должен был туда добраться ».

Наряду со сборкой и сборкой компонентов для измерения акустических волн и оцифровки этих аналоговых сигналов, она приступила к обучению программированию на языке, называемом Forth, чтобы можно было управлять прибором. К концу лета она создала процедуры, которые преобразовывали эти цифровые сигналы в графики.

Carolyn Bertozzi - ABC Chemicals

Она написала свою студенческую диссертацию о проекте, и к тому времени, как она ушла, инструмент был построен, хотя она никогда не проводила никаких экспериментов с ним. «Наконец, когда я заканчивал аспирантуру, на бумаге появилась моя фамилия!» она сказала. «Это был не органический синтез, но, оглядываясь назад, он был очень вдохновляющим. Это научило меня, что вам не нужно знать путь к большой цели — каждый день вы что-то делаете, и сорняки постепенно убираются, и со временем путь становится более ясным. Легко быть напуганным большим вызовом, но вы не должны делать это за день. Это был хороший опыт, когда мне передавали проект, который был у меня над головой, поэтому я должен был все выяснить на лету ».

Тем не менее, она отчаянно пыталась сделать органический синтез. «Мне было очень интересно размышлять о том, как ведут себя органические молекулы, и о том, как создавать новые, мне было очень интересно работать с компьютерами и лазерами, и я был вдохновлен уроком, который преподаёт Джереми Ноулз по биоорганической химии, — говорит она. «Я был очарован тем, как ферменты манипулируют молекулами».

Летняя стажировка в Bell Labs в Нью-Джерси дала дополнительное вдохновение. Она работала с Кристофером Чидси, молодым ученым, изучавшим монослои алкантиолов на поверхности золота. «Я все еще не делал никакого синтеза, но, по крайней мере, я должен был растворить и приготовить органические соединения!» она сказала. Чидси жаловался на отсутствие достойного программного обеспечения для управления данными с циклического вольтамперметра и обдумывал использование Forth. «Я чувствовал, что у меня был полезный навык для изменения!» она смеется. Газета Американского химического общества, вышедшая этим летом, остается одной из ее самых цитируемых статей, несмотря на всю ее влиятельную работу, опубликованную с тех пор.

В течение двух лет Бертоцци и два студента-аспиранта руководили собственной работой, проводя исследования и направляя статьи в журналы (и даже призывая редакцию пожаловаться на рецензии).

Наконец-то синтетический химик

Ее мечта о синтезе, наконец, была реализована, когда она приехала в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы поступить в аспирантуру, разрабатывая молекулы для изучения биологии в лаборатории Марка Беднарски, молодого ученого, с которым она познакомилась в Гарварде, когда он был постдоком в Джордже Уайтсайде. лаборатория Он интересовался химией углеводов, и это было примерно в то время, когда разрабатывались препараты против гриппа, ингибиторы нейраминидазы, Реленза (занамивир) и Тамифлю (осельтамивир), которые напоминали сахарную сиаловую кислоту. «Структуры нейраминидазы гриппа и гемагглютинина только что были решены, и это была захватывающая область для погружения», — говорит она.

Но на третьем курсе у Беднарского был диагностирован рак толстой кишки. Он взял отпуск для лечения, затем решил, что хочет стать врачом, и поступил на медицинский факультет в Стэнфордский университет. Вместо того, чтобы перейти в другую группу, Бертоцци и пара его товарищей пошли в одиночку и защитили свои кандидатские диссертации без присмотра. «Это не произошло бы сейчас из-за проблем с регулированием и безопасностью, но тогда это был Дикий Запад!» она вспоминает. «Я был благодарен, потому что мой проект наконец заработал, и я не хотел начинать все сначала в новой лаборатории».

В течение двух лет Бертоцци и два студента-аспиранта руководили собственной работой, проводя исследования и направляя статьи в журналы (и даже призывая редакцию пожаловаться на рецензии). «Мы не знали, как еще это сделать», — говорит она. «В то время мы были немного расстроены, но, оглядываясь назад, это демистифицировало работу PI, и я рано узнал, что нужно сделать, чтобы запустить лабораторию, хотя и небольшую».

Во время последующего постдока в лаборатории иммунологии в Университете Калифорнии, Сан-Франциско (UCSF), она снова встретилась с Чидси, который к тому времени был на факультете в Стэнфорде. Он призвал ее подать заявку на академическую работу химика-биолога, которую Стэнфорд искал в то время. «Я поняла, что хочу остаться в районе Бэй, а также обратилась в Беркли и UCSF», — вспоминает она. Все трое дали ей предложения, и она решила вернуться в Беркли.

Carolyn Bertozzi - ABC Chemicals

Источник: © Стэнфордский университет

Рождение биоортогональной химии

Ее постдок заставил Бертоцци понять, насколько сложно было изучать гликонауку в биологических системах. «Инструменты были настолько примитивными, что не было никакого способа проводить измерения на клетках, организмах или тканях, и я подумал, что должен быть лучший способ», — говорит она. «Это открыло мне глаза на то, чего не хватало в технологическом пространстве».

Это стало ее первоначальной научной миссией в Беркли: разработка инструментов, позволяющих гликобиологам быстрее и шире прогрессировать. В отличие от белков или нуклеиновых кислот, для сахаров не было технологии визуализации. Таким образом, она приступила к разработке инструмента визуализации для наложения зондов на сахара, чтобы их можно было контролировать. Это привело к методу метаболического мечения — вставке меток в сахара с помощью метаболических предшественников в рационе клеток, которые их производят. «Сами зонды не могут быть вставлены таким образом, так как они слишком велики, и энзимы уничтожат их, но вы можете нанести химический маркер на сахар и затем добавить зонды», — говорит она.

«Я помню, как думал:« Почему бы и нет? Если я могу построить фотоакустический калориметр в качестве старшекурсника, почему аспирант не должен работать над туберкулезом? »

Кэролин Бертоцци

Эта миссия привела Бертоцци к разработке новых типов реакций, которые она описывает как «биоортогональная химия», химических реакций, которые происходят внутри живых существ без взаимодействия или вмешательства в какие-либо естественные биологические процессы. Часть ее лаборатории занималась разработкой методов биоортогональной реакции, а остальные занимались аппликациями и визуализацией с созданными ими мечеными сахарами.

«Тогда новые идеи начали вытекать из текущих проектов», — говорит она. Один был при туберкулезе (туберкулез) — бактериальный геном только что был секвенирован, и аспирант Джозеф Мугос (теперь уже успешный академик) заинтересовался этим. «Мы уже изучали различные человеческие ферменты, поэтому мы взорвали их генные последовательности против генома ТБ, чтобы посмотреть, сможем ли мы обнаружить микробных родственников», — говорит она. «К нашему удивлению, он нашел отдаленных родственников человеческих сульфотрансфераз, которые помещают сульфатные группы в сахара».

Следующим шагом было создание нокаутированных мутантов и поиск фенотипов, но это было легче сказать, чем сделать, так как ТБ требует средства сдерживания уровня биобезопасности 3, которого у Бертоцци не было. «Я был доцентом, с ограниченным бюджетом, но я помню, как думал:« Почему бы и нет? Если я могу построить фотоакустический калориметр в качестве старшекурсника, почему аспирант не должен работать над туберкулезом? » Джозеф нашел необходимое средство локализации, выяснил, как проводить мутагенез, и мы разработали платформу для массовых спектров, которая позволила нам использовать маркировку тяжелого сульфата, обогащенного серой-34, для поиска метаболитов, которые могли произойти ферменты ».

Выяснив биосинтетический путь сульфатированного гликолипида, который считается фактором вирулентности, они поняли, что этот метаболический процесс может быть применен к визуализации. Еще более увлекательно стало то, что стало ясно, что эти инструменты визуализации могут обнаруживать туберкулезные клетки в мокроте инфицированного пациента, используя только микроскоп на батарейках. Эти инструменты уже широко используются для диагностики малярии и могут стать важным достижением в диагностике туберкулеза в условиях ограниченных ресурсов, где заболевание является эндемичным.

«Мы создали реагент для флуорогенной маркировки, и в настоящее время этот проект поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс для создания диагностики в месте оказания медицинской помощи», — говорит Бертоцци. «Мы были бы совсем рядом с этим, если бы все эти годы один ученик не работал над туберкулезом, и мы проложили путь за десятилетие, по одному эксперименту за раз».

Переезд через залив

После почти 20 лет работы в Беркли Стэнфорд снова позвонил в 2015 году. «На этот раз звезды выровнялись, и в химическую биологию были сделаны большие инвестиции: новое здание и 20 новых преподавателей, включая пару старших профессоров, ‘ она сказала. Стэнфорд строил новый институт, ChEM-H (химия, инженерия и медицина для здоровья человека), и она видела возможность внести свой вклад с нуля.

«Я хотел, чтобы мои студенты получили опыт в экосистеме медицины»

Кэролин Бертоцци

Бертоцци не собирался покидать Беркли, и время было не идеальным, поскольку она и ее партнерша собирались родить третьего ребенка, но она сразу поняла, что хочет эту работу. «Я хотела, чтобы мои студенты приобрели опыт в экосистеме медицины», — говорит она. «Это было нелегко в Беркли, но в Стэнфорде есть медицинская школа, поэтому мы переехали в Пало-Альто».

Следующее неожиданное направление исследований появилось почти сразу. «Мне холодно позвонил выпускник из Стэнфорда Мэтт Уилси, который был успешным предпринимателем в Силиконовой долине», — говорит она. «У его молодой дочери Грейс было диагностировано ультра-редкое генетическое заболевание: у нее было две дефектные версии гена NGly1, который кодирует фермент N-гликаназу, который удаляет сахара из неправильно свернутых гликопротеинов до их деградации. Он создал некоммерческий исследовательский фонд с целью поиска методов лечения и лечения. Учитывая то, что моя лаборатория сфокусирована на науке о Земле, он подумал, могу ли я внести свой вклад.

Carolyn Bertozzi - ABC Chemicals

Источник: © Кэролайн Бертоцци

Уилси уже нанял нескольких выдающихся генетиков и биологов, но ни одного химика, специализирующегося на сахаре. «Я не решалась выдвинуть предложение об исследовании без лучшего понимания того, как потеря энзима N-гликаназы делает этих детей больными», — говорит она. Функция этого фермента в то время была недостаточно понятна, и не было хорошей гипотезы, чтобы связать его функцию с симптомами пациента.

Шли месяцы, и пришло другое совпадение. На встрече Бертоцци поболтал с биологом из Калифорнийского технологического института Рэем Дешайсом, который с тех пор переехал в Амген. N-гликаназа прижимается близко к протеасоме, поэтому предполагалось, что ее роль заключается в удалении больших гликанов до того, как протеасома разложит неправильно свернутые белки на мелкие пептидные фрагменты. И все же культивируемые клетки, созданные с теми же мутациями NGly1, не заполнялись непереваренным гликопротеиновым «мусором» так, как можно было ожидать — клетки в лабораторной чашке были в основном без их N-гликаназы, в то время как люди и лабораторные мыши стали очень больными , Чего-то явно не хватало.

Исследовательское сообщество начало подозревать, что в некоторых клетках присутствуют важные субстраты, из которых сахарные звенья должны быть удалены N-гликаназой, если человек хочет оставаться здоровым. Но найти эти субстраты было серьезной проблемой.

«Я рассказала Deshaies эту историю, и оказалось, что он был правильным человеком, чтобы спросить», — говорит она. Несколькими годами ранее он работал над необычным фактором транскрипции, Nrf1, и он думал, что удаление N-гликанов может иметь решающее значение для его активации. Nrf1 управляет экспрессией генов субъединиц протеасомы в условиях недостаточности протеасомы, например, когда он достигает емкости или ингибируется лекарством. Deshaies был заинтересован из-за его потенциальной роли в устойчивости к противораковым лекарственным средствам, ингибирующим протеасомы, один из которых, карфилзомиб, он помог разработать.

Исходя из этого, Бертоцци интересовался, является ли удаление N-гликанов N-гликаназой важным шагом в процессинге и активации Nrf1. «Всю оставшуюся часть встречи я сидела в заднем ряду, гуглив этот фактор транскрипции и находя сообщения о фенотипах различных нокаутов мыши — они, по сути, зафиксировали симптомы заболевания NGly1 у человека», — говорит она. «Я не мог в это поверить — этот фактор транскрипции, вероятно, был одним из наиболее важных субстратов для фермента, и как только я вернулся в Стэнфорд, я написал предложение».

«Это проект, который начался с пациентки и ее семьи, а теперь представляет собой серьезную работу в моей лаборатории».

Кэролин Бертоцци

Год спустя ясно, что это предположение было полностью на деньги — и нокаутные, и полученные от пациентов клеточные линии очень чувствительны к ингибиторам протеасом, и фактор транскрипции у них не функционирует. Бертоцци подозревает, что этот дефицит, вероятно, является причиной нескольких неврологических симптомов, с которыми сталкиваются пациенты NGly1, поскольку без активного Nrf1 их клетки не могут исправить ситуации с недостаточностью протеасом. Известно, что нейроны особенно чувствительны к проблемам с деградацией и оборотом белка.

«Моя цель приблизить наши исследования к клиническим наукам в Стэнфорде заняла меньше месяца», — говорит она. «Это проект, который начался с пациентки и ее семьи, а теперь представляет собой серьезную работу в моей лаборатории».

Другой растущий интерес Бертоцци — это горячая область иммуноонкологии, где гликозилирование играет важную роль в иммуномодуляции в микроокружении опухоли. «Это прекрасное время для ученых-гликологов — биологи открывают важные роли для гликогенов с помощью скрининга генома на основе Crispr, и им интересно работать с экспертами, которые могут определить соответствующие биохимические пути. Поэтому, если вы являетесь местным экспертом по глико, многие люди звонят вам, чтобы помочь объяснить их списки генов супа с гликоалфавитом », — говорит она.

«Возможности проезжают мимо вас, и если вам повезет, вы заметите несколько. Мы, вероятно, сильно скучаем, потому что не можем обращать внимание на каждую мелочь и имеем только такую большую пропускную способность. Но возможности всегда открываются, и если вы видите это, вы должны сесть в автобус и посмотреть, куда ведет вас путь ».

Сара Хоултон — научный писатель из Хартфордшира, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *