Stevena A. Bennera

Stevena Alberta Bennera
Urodzić się	( 23.10.1954 ) 23 października 1954
Narodowość	amerykański
Alma Mater	Uniwersytet Yale Uniwersytet Harvarda
Kariera naukowa
Pola	Chemia , biologia syntetyczna
Instytucje	Harvard University ETH Zurich University of Florida , Fundacja Stosowanej Ewolucji Molekularnej
Doradca doktorski	Roberta Burnsa Woodwarda , Franka Westheimera
Strona internetowa	www.fame.org

Steven Albert Benner (urodzony 23 października 1954) był profesorem na Uniwersytecie Harvarda , ETH Zurich i University of Florida , gdzie był wybitnym profesorem chemii VT i Louise Jackson. W 2005 roku założył The Westheimer Institute of Science and Technology (TWIST) oraz Foundation for Applied Molecular Evolution. Benner założył również firmy EraGen Biosciences i Firebird BioMolecular Sciences LLC.

Benner i jego współpracownicy jako pierwsi zsyntetyzowali gen, rozpoczynając dziedzinę biologii syntetycznej . Odegrał kluczową rolę w stworzeniu dziedziny paleogenetyki . Interesuje się pochodzeniem życia oraz chemicznymi warunkami i procesami potrzebnymi do wytworzenia RNA . Benner współpracował z NASA nad opracowaniem detektorów obcych materiałów genetycznych, wykorzystując definicję życia opracowaną przez grupę roboczą NASA Exobiology Discipline Working Group w 1992 r., „samowystarczalny system chemiczny zdolny do darwinowskiej ewolucji”.

Edukacja

Benner studiował na Uniwersytecie Yale , gdzie w 1976 roku uzyskał tytuł licencjata/magisterium z biofizyki molekularnej i biochemii. Następnie udał się na Uniwersytet Harvarda , gdzie uzyskał stopień doktora. obronił doktorat z chemii w 1979 r. Pracował pod kierunkiem Roberta Burnsa Woodwarda , po jego śmierci obronił pracę dyplomową u Franka Westheimera . Jego doktorat praca magisterska brzmiała Absolutna stereochemia dekarboksylazy acetooctanowej, transmetylazy betainowo-homocysteinowej i dehydrogenazy 3-hydroksymaślanowej.

Kariera

Po ukończeniu Harvard University Benner został pracownikiem naukowym na Harvardzie, otrzymując nagrodę Dreyfusa dla młodego wydziału w 1982 roku. W latach 1982-1986 był adiunktem na Wydziale Chemii Uniwersytetu Harvarda.

W 1986 Benner przeniósł się do ETH Zurich , Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu. W latach 1986-1993 zajmował stanowiska profesora nadzwyczajnego chemii bioorganicznej oraz w latach 1993-1996 profesora chemii bioorganicznej.

W 1996 Benner dołączył do wydziału na University of Florida , jako profesor zarówno chemii, jak i biologii komórkowej i molekularnej. Został mianowany wybitnym profesorem chemii VT & Louise Jackson na Wydziale Chemii Uniwersytetu Florydy w 2004 roku.

Benner opuścił University of Florida pod koniec grudnia 2005 roku, aby założyć The Westheimer Institute of Science and Technology (TWIST) na cześć Franka Westheimera . Jest częścią Foundation for Applied Molecular Evolution (FfAME) w Alachua na Florydzie , którą Benner założył w 2001 roku.

Benner założył EraGen Biosciences w 1999 roku. Firma została przejęta przez Luminex w 2011 roku. W 2005 roku założył Firebird BioMolecular Sciences LLC.

Badania

Badania Bennera dzielą się na cztery główne obszary:

1. poszerzanie alfabetu genetycznego poprzez syntezę sztucznych struktur
2. chemia prebiotyczna, odtworzenie chemicznego pochodzenia życia
3. paleogenetyka, badanie starożytnych białek z dawno wymarłych gatunków
4. wykrycie życia pozaziemskiego

Laboratorium Bennera jest pomysłodawcą dziedziny „ biologii syntetycznej ”, której celem jest generowanie w drodze syntezy chemicznej cząsteczek odtwarzających złożone zachowanie systemów żywych, w tym ich genetykę, dziedziczenie i ewolucję. Poniżej wymieniono niektóre najważniejsze punkty wcześniejszych prac w genetyce chemicznej.

Synteza genów

W 1984 r. laboratorium Bennera na Harvardzie jako pierwsze zgłosiło syntezę chemiczną genu kodującego enzym, po syntezie krótszego genu tRNA przez Khorana w 1970 r. Był to pierwszy zaprojektowany gen jakiegokolwiek rodzaju, pionierskie osiągnięcie, które położyło podstawy inżynierii białek . Strategie projektowania wprowadzone w tej syntezie są obecnie szeroko stosowane do wspierania inżynierii białek.

Sztuczne systemy genetyczne

Wysiłki zmierzające do stworzenia sztucznych systemów genetycznych zostały po raz pierwszy opisane przez Bennera i współpracowników w 1989 roku, kiedy opracowali pierwszą nienaturalną parę zasad . Od tego czasu Benner i jego współpracownicy opracowali sześcioliterowy sztucznie rozszerzony system informacji genetycznej o nazwie Sztucznie rozszerzony system informacji genetycznej (AEGIS), który zawiera dwa dodatkowe niestandardowe nukleotydy (Z i P) oprócz czterech standardowych nukleotydów (G, A, C i T). AEGIS ma własną wspierającą biologię molekularną. Umożliwia syntezę białek zawierających więcej niż naturalnie zakodowanych 20 aminokwasów i zapewnia wgląd w to, w jaki sposób kwasy nukleinowe tworzą struktury dupleksowe, w jaki sposób białka oddziałują z kwasami nukleinowymi oraz w jaki sposób alternatywne systemy genetyczne mogą pojawiać się w życiu pozaziemskim.

Benner jest jednym z wielu badaczy, w tym Eric T. Kool, Floyd E. Romesberg, Ichiro Hirao, Mitsuhiko Shionoya i Andrew Ellington, którzy stworzyli rozszerzony alfabet syntetycznych zasad, które można włączyć do DNA (a także RNA) przy użyciu wiązania Watsona-Cricka (jak również wiązania innego niż Watson-Crick). Chociaż większość tych syntetycznych zasad jest pochodnymi zasad A, C, G, T, niektóre są inne. Podczas gdy niektóre są w parach Watsona-Cricka (A/T, C/G), niektóre są samouzupełniające się (X/X). W ten sposób alfabet genetyczny został rozszerzony.

Liczba możliwych trójek nukleotydów lub kodonów dostępnych w syntezie białek zależy od liczby dostępnych nukleotydów. Standardowy alfabet (G, A, C i T) daje 4 ³ = 64 możliwych kodonów, podczas gdy rozszerzony alfabet DNA z 9 zasadami DNA miałby 9 ³ = 729 możliwych kodonów, z których wiele to kodony syntetyczne. Aby te kodony były użyteczne, syntetaza aminoacylo-tRNA został stworzony w taki sposób, że tRNA może kodować prawdopodobnie syntetyczny aminokwas, który ma być sprzężony z odpowiadającym mu syntetycznym anty-kodonem. Brenner opisał taki system, który wykorzystuje syntetyczny DNA izo-C/izo-G, który wykorzystuje syntetyczny kodon DNA [izo-C/A/G], który nazywa kodonem 65. Syntetyczny mRNA z syntetycznym anty-kodonem [izo-G/U/C] z syntetyczną syntetazą aminoacylo-tRNA skutkuje eksperymentem in vivo , który może kodować syntetyczny aminokwas włączony do syntetycznych polipeptydów ( proteomika syntetyczna ).

Model „drugiej generacji” dla kwasów nukleinowych

Benner wykorzystał syntetyczną chemię organiczną i biofizykę do stworzenia modelu „drugiej generacji” struktury kwasu nukleinowego. Model DNA pierwszej generacji został zaproponowany przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka , w oparciu o skrystalizowane struktury rentgenowskie badane przez Rosalind Franklin . Zgodnie z podwójną helisą Model DNA składa się z dwóch komplementarnych nici nukleotydów skręconych wokół siebie. Model Bennera podkreśla rolę szkieletu cukrowego i fosforanowego w zdarzeniu genetycznego rozpoznawania molekularnego. Szkielet polianionowy jest ważny w tworzeniu rozszerzonej struktury, która pomaga DNA w replikacji.

W 2004 roku Benner poinformował o pierwszej udanej próbie zaprojektowania sztucznej cząsteczki podobnej do DNA, zdolnej do samoreprodukcji.

Sekwencjonowanie genomu i przewidywanie struktury białek

Pod koniec lat 80. Benner dostrzegł potencjał projektów sekwencjonowania genomu do generowania milionów sekwencji i umożliwienia naukowcom wykonywania rozległego mapowania struktur molekularnych w chemii organicznej. Na początku lat 90. Benner spotkał Gastona Gonneta , rozpoczynając współpracę, w ramach której narzędzia Gonneta do wyszukiwania tekstu zastosowano do zarządzania sekwencjami białek. W 1990 we współpracy z Gastonem Gonnetem laboratorium Bennera wprowadziło bioinformatyczny stół warsztatowy DARWIN. DARWIN (Data Analysis and Retrieval With Indexed Nucleic Acid-Peptide Sequence) było środowiskiem programowania wysokiego poziomu do badania sekwencji genomowych. Umożliwiło to dopasowywanie sekwencji genomowych w bazach danych i wygenerowanie informacji pokazujących, w jaki sposób naturalne białka mogą ewoluować w sposób rozbieżny w ramach ograniczeń funkcjonalnych poprzez gromadzenie mutacji, insercji i delecji. Opierając się na Darwinie, laboratorium Bennera dostarczyło narzędzi do przewidywania trójwymiarowej struktury białek na podstawie danych sekwencyjnych. Informacje o znanych strukturach białek zostały zebrane i wprowadzone na rynek jako komercyjna baza danych, Katalog główny, przez start-up firmy Benner, EraGen.

Wykorzystanie informacji o wielu sekwencjach do przewidywania struktury drugorzędowej białek stało się popularne w wyniku prac Bennera i Gerloffa. Przewidywania drugorzędowej struktury białek przez Bennera i współpracowników osiągnęły wysoką dokładność. Możliwe stało się modelowanie fałdów białek, wykrywanie odległych homologów, umożliwianie genomiki strukturalnej oraz łączenie sekwencji, struktury i funkcji białek. Ponadto w tej pracy zasugerowano ograniczenia przewidywania struktury na podstawie homologii, określając, co można, a czego nie można zrobić za pomocą tej strategii.

Praktyczne narzędzia do genotypowania

Podejście Bennera otworzyło nowe perspektywy działania kwasów nukleinowych, a także narzędzi do diagnostyki i nanotechnologii. FDA zatwierdziła produkty wykorzystujące DNA AEGIS w diagnostyce ludzi. Monitorują one liczbę wirusów u pacjentów zakażonych wirusem zapalenia wątroby typu B , wirusem zapalenia wątroby typu C i wirusem HIV . AEGIS był podstawą rozwoju narzędzi do multipleksowego wykrywania markerów genetycznych, takich jak komórki nowotworowe i polimorfizmy pojedynczych nukleotydów w próbkach pacjentów. Narzędzia te umożliwią spersonalizowaną medycynę za pomocą „ point-of-care”. „Analiza genetyczna, a także narzędzia badawcze, które mierzą poziom poszczególnych cząsteczek mRNA w obrębie pojedynczych procesów pojedynczych żywych neuronów.

Proteomika interpretacyjna

Interpretując dane genomowe i projekcję wstecz do wspólnego przodka genetycznego, „Luca”, laboratorium Bennera wprowadziło narzędzia, które analizują wzorce zachowania i zmienności za pomocą biologii strukturalnej, badają zmienność tych wzorców w różnych gałęziach drzewa ewolucyjnego i korelują zdarzenia w zapis genetyczny z wydarzeniami z historii biosfery znanymi z geologii i skamielin. Z tego wyłoniły się przykłady pokazujące, jak role biomolekuł we współczesnym życiu można zrozumieć za pomocą modeli z przeszłości historycznej.

Paleogenetyka eksperymentalna

Dalsze informacje: Wskrzeszenie genów przodków

Benner był pomysłodawcą dziedziny paleogenetyki eksperymentalnej , w której geny i białka starożytnych organizmów są wskrzeszane przy użyciu bioinformatyki i technologii rekombinacji DNA. Prace eksperymentalne nad starożytnymi białkami przetestowały hipotezy dotyczące ewolucji złożonych funkcji biologicznych, w tym biochemii trawienia przeżuwaczy, termofilności starożytnych bakterii oraz interakcji między roślinami, owocami i grzybami w czasie wymierania kredy . Rozwijają one nasze rozumienie zachowania biologicznego, które rozciąga się od cząsteczki do komórki, organizmu, ekosystemu i planety, czasami określane jako biologia planetarna.

Astrobiologia

Benner jest głęboko zainteresowany pochodzeniem życia i warunkami niezbędnymi do wspierania modelu świata RNA, w którym samoreplikujący się RNA jest prekursorem życia na Ziemi. Zidentyfikował wapń , boran i molibden jako ważne dla pomyślnego tworzenia węglowodanów i stabilizacji RNA. Zasugerował, że planeta Mars mogła mieć bardziej pożądane warunki niż Ziemia do początkowej produkcji RNA, ale ostatnio zgodził się, że modele wczesnej Ziemi przedstawiające suchy ląd i przerywaną wodę, opracowane przez Stephena Mojzsisa, przedstawiają wystarczające warunki do rozwoju RNA.

Grupa Bennera pracowała nad identyfikacją struktur molekularnych, które prawdopodobnie będą uniwersalnymi cechami systemów żywych niezależnie od ich genezy, a nie produktami procesów niebiologicznych. Są to „ biosygnatury ”, zarówno dla ziemskich form życia, jak i dla „dziwnych” form życia.