Forskere opdrætter bakterier, der laver små højenergi-carbonringe

Caltech-forskere har skabt en bakteriestamme, der kan lave små, men energipakkede carbonringe, der er nyttige udgangsmaterialer til at skabe andre kemikalier og materialer. Disse ringe, som ellers er særligt vanskelige at forberede, nu kan "brygges" på nogenlunde samme måde som øl.

Bakterierne blev skabt af forskere i Frances Arnolds laboratorium, Caltechs Linus Pauling professor i kemiteknik, Bioteknik og biokemi, ved hjælp af rettet evolution, en teknik Arnold udviklede i 1990'erne. Teknikken giver forskere mulighed for hurtigt og nemt at opdrætte bakterier med de egenskaber, de ønsker. Det er tidligere blevet brugt af Arnolds laboratorium til at udvikle bakterier, der skaber kulstof-silicium og kulstof-bor-bindinger, ingen af ​​dem findes blandt organismer i den naturlige verden. Ved hjælp af den samme teknik, de satte sig for at bygge de små kulstofringe, der sjældent ses i naturen.

"Bakterier kan nu slette disse alsidige, energirige organiske strukturer, " siger Arnold. "Med nye laboratorieudviklede enzymer, mikroberne laver præcist konfigurerede anstrengte ringe, som kemikere kæmper for at lave."

I et papir offentliggjort denne måned i tidsskriftet Videnskab , forskerne beskriver, hvordan de nu har lokket Escherichia coli-bakterier til at skabe bicyclobutaner, en gruppe af kemikalier, der indeholder fire kulstofatomer arrangeret, så de danner to trekanter, der deler en side. For at visualisere dens form, forestil dig et firkantet stykke papir, der er let krøllet langs en diagonal.

Bicyclobutaner er svære at lave, fordi bindingerne mellem carbonatomerne er bøjede i vinkler, der udsætter dem for stor belastning. At bøje disse bindinger væk fra deres naturlige form tager meget energi og kan resultere i uønskede biprodukter, hvis betingelserne for deres syntese ikke er helt rigtige. Men det er stammen, der gør bicyclobutaner så nyttige. De bøjede bindinger virker som tæt viklede fjedre:de pakker en masse energi, der kan bruges til at drive kemiske reaktioner, gøre bicyclobutaner nyttige forstadier til en række forskellige kemiske produkter, såsom lægemidler, landbrugskemikalier, og materialer. Når anstrengte ringe, ligesom bicyclobutaner, er inkorporeret i større molekyler, de kan præge disse molekyler med interessante egenskaber - f.eks. evnen til at lede elektricitet, men kun når en ekstern kraft påføres - hvilket gør dem potentielt nyttige til at skabe smarte materialer, der reagerer på deres omgivelser.

I modsætning til andre kulstofringe, såsom cyclohexaner og cyclopentaner, bicyclobutaner findes sjældent i naturen. Dette kan skyldes deres arvelige ustabilitet eller manglen på egnede biologiske maskiner til deres samling. Men nu, Arnold og hendes team har vist, at bakterier genetisk kan omprogrammeres til at producere bicyclobutaner fra simple kommercielle udgangsmaterialer. Mens E. coli-cellerne går i gang med deres bakterievirksomhed, de udskiller bicyclobutaner. Opsætningen er lidt som at putte sukker og lade det gære til alkohol.

"Til vores overraskelse, enzymerne kan konstrueres til effektivt at lave sådanne skøre kulstofringe under omgivende forhold, " siger kandidatstuderende Kai Chen, hovedforfatter på papiret. "Dette er første gang nogen har introduceret en ikke-indfødt vej for bakterier til at skabe disse højenergistrukturer."

Chen og hans kolleger, postdoc Xiongyi Huang, Jennifer Kan, og kandidatstuderende Ruijie Zhang, gjorde dette ved at give bakterierne en kopi af et gen, der koder for et enzym kaldet cytochrom P450. Enzymet var tidligere blevet modificeret gennem styret udvikling af Arnold-laboratoriet og andre for at skabe molekyler indeholdende små ringe med tre kulstofatomer - i det væsentlige halvdelen af ​​en bicyclobutangruppe.

"Det skønne er, at et veldefineret miljø med aktivt sted blev udformet i enzymet for i høj grad at lette dannelsen af ​​disse højenergimolekyler, " siger Huang.

Den præcision, hvormed de bakterielle enzymer udfører deres arbejde, gør det også muligt for forskerne effektivt at lave præcis de anstrengte ringe, de ønsker, med en præcis konfiguration og i en enkelt chiral form. Kiralitet er en egenskab ved molekyler, hvor de kan være "højrehåndede" eller "venstrehåndede, " hvor hver form er spejlbilledet af den anden. Det betyder noget, fordi levende ting er selektive med hensyn til, hvilken "handedness" af et molekyle de bruger eller producerer. F.eks. alle levende ting bruger udelukkende den højrehåndede form af sukkerribosen (rygraden i DNA), og mange chirale farmaceutiske kemikalier er kun effektive i én hånd; i den anden, de kan være giftige.

Chirale former af et molekyle er vanskelige at adskille fra hinanden, men ved at ændre den genetiske kode for bakterierne, forskerne kan sikre, at enzymerne favoriserer et chiralt produkt frem for et andet. Mutation i generne tunede enzymerne til at skabe en bred vifte af bicyclobutaner med høj præcision.

Kan siger, at fremskridt som deres skubber kemien i en grønnere retning.

"I fremtiden, i stedet for at bygge kemiske anlæg til fremstilling af de produkter, vi har brug for for at forbedre livet, ville det ikke være fantastisk, hvis vi bare kunne programmere bakterier til at lave, hvad vi vil? ”siger Kan.

Papiret, med titlen "Enzymatisk konstruktion af stærkt belastede kulcykler, " vises i 5. april-udgaven af Videnskab .