Lær livet et nyt trick:Bakterier danner bor-kulstofbindinger

I en anden bedrift inden for bioteknik, Caltechs Frances Arnold, Linus Pauling professor i kemiteknik, Bioteknik og biokemi, og hendes team har skabt bakterier, der kan for første gang, lave kemiske forbindelser indeholdende bindinger mellem bor og kulstof. Før nu, sådanne bor-carbon-bindinger kom kun fra kemikeres laboratorier og kunne ikke fremstilles af nogen kendt livsform.

Fundet er en del af en ny bølge inden for syntetisk biologi, hvor levende organismer læres at lave kemiske forbindelser, der er nødvendige til lægemidler, landbrugskemikalier, og andre industriprodukter. Sidste år, Arnolds team konstruerede også bakterier til at producere molekyler med silicium-carbon-bindinger, kaldet organosiliciumforbindelser, som findes i alt fra lægemidler til halvledere.

Ved at bruge biologi i stedet for syntetiske processer, forskere kan potentielt fremstille de kemiske forbindelser på "grønnere" måder, der er mere økonomiske og producerer mindre giftigt affald, ifølge Arnold.

Resultaterne er offentliggjort i den 29. november online-udgave af tidsskriftet Natur . Hovedforfatterne af rapporten er Jennifer Kan og Xiongyi Huang, postdocs i Arnolds laboratorium.

"Vi har givet livet en helt ny byggesten, som det ikke havde før, siger Arnold, som også er direktør for Donna og Benjamin M. Rosen Bioengineering Center. "Dette er kun begyndelsen. Vi har åbnet et nyt rum for biologi at udforske, et rum, der indeholder nyttige produkter opfundet af mennesker."

"Naturen har skabt smukke maskiner, som vi kan drage nytte af, " siger Huang. "Vi genbruger naturens bedste opfindelser."

For at lokke bakterierne til at lave borholdige forbindelser, videnskabsmændene brugte en metode, der blev udviklet af Arnold i begyndelsen af ​​1990'erne, kaldet rettet evolution, hvor enzymer udvikles i et laboratorium for at udføre ønskede funktioner - såsom at skabe kemiske bindinger, der ikke findes i den biologiske verden. Som det blev gjort i den tidligere silicium-baserede forskning, forskerne startede med et almindeligt protein kaldet cytochrom c - men med en variant, der naturligt findes i bakterier, der lever i islandske varme kilder. De muterede DNA'et, der koder for proteinet, og placerede derefter de muterede DNA-sekvenser i tusindvis af bakterieceller for at se, om de resulterende bakterier kunne skabe de ønskede bor-carbon-bindinger. DNA'et fra vellykkede mutante proteiner blev derefter muteret igen, og cyklussen blev gentaget, indtil de bakterier, der fremstillede proteinerne, var meget dygtige til at samle bor-carbon-forbindelserne.

Forskerne lavede seks versioner af disse proteiner, hver med lidt forskellige forkærligheder for at lave forskellige molekyler med bor-carbon-bindinger. Deres endelige bakterielle kreationer var op til 400 gange mere produktive end syntetiske kemiske processer, der blev brugt til den samme reaktion.

Kan siger, at forskere kan bruge denne teknik til nemt at generere endnu flere proteiner med specifikke funktioner.

"Protein-DNA er som software, som forskere kan gå ind og omskrive, " siger Kan. "I traditionel kemi, du er nødt til at resyntetisere en hel kemisk katalysator, hvis du vil have den til at gøre noget nyt. Men vi kan gøre dette ved blot at ændre det DNA, der fortæller bakterierne, hvad de skal lave."

bor, som kommer fra mineralet borax, sidder lige til venstre for kulstof i det periodiske system. Det er en almindelig ingrediens, der findes i kompositmaterialer og i gødning. Det er også et vigtigt næringsstof for planter, og nyere forskning fra NASAs Curiosity rover viste, at den er til stede på Mars, et tegn på mulige beboelige forhold.

siger Kan, "Bor er en af ​​kemiens ubesungne helte. Det er ikke et element, vi hører om hver dag, men dets bidrag til kemi er enormt. Vi er glade for at tilføje dette element til den syntetiske biologi-værktøjskasse for første gang."

Det Natur undersøgelsen har titlen "Genetisk programmeret chiral organoboran syntese."