Syntetisk biologi bevæger sig ind i det unaturliges rige

Området for syntetisk biologi har haft stor succes med at udvikle gær og bakterier til at fremstille kemikalier - biobrændstoffer, lægemidler, dufte, selv den humleagtige smag af øl - billigt og mere bæredygtigt, med kun sukker som energikilde.

Endnu, feltet har været begrænset af det faktum, at mikrober, selv med gener kastet ind fra planter eller andre dyr, kan kun lave molekyler ved at bruge naturens kemiske reaktioner. Meget af kemien og den kemiske industri er fokuseret på at lave stoffer, der ikke findes i naturen, med reaktioner opfundet i et laboratorium.

Et samarbejde mellem syntetiske kemikere og syntetiske biologer ved University of California, Berkeley, og Lawrence Berkeley National Laboratory har nu overvundet den forhindring, konstruktion af bakterier, der kan lave et molekyle, indtil nu, kun kunne syntetiseres i et laboratorium.

Mens biosyntesen i bakterien E. coli producerede et stof af lav værdi - og i små mængder, det faktum, at forskerne kunne konstruere en mikrobe til at producere noget ukendt i naturen, åbner døren til produktion af en bredere vifte af kemikalier fra gær og bakteriel fermentering, sagde forskerne.

"Det er en helt ny måde at lave kemisk syntese på. Ideen om at skabe en organisme, der laver et så unaturligt produkt, der kombinerer laboratoriesyntese med syntetisk biologi i en levende organisme - det er bare en futuristisk måde at fremstille organiske molekyler fra to separate videnskabsområder på en måde, som ingen har gjort før, sagde John Hartwig, UC Berkeley professor i kemi og en af ​​fire seniorforfattere af undersøgelsen.

Resultaterne blev offentliggjort online i dag (14. oktober) i tidsskriftet Naturkemi .

Præstationen kunne i høj grad udvide anvendelserne af syntetisk biologi, som er grønnere, mere bæredygtig måde at fremstille kemikalier på til forbrugere og industri, sagde medforfatter Aindrila Mukhopadhyay, en seniorforsker fra Berkeley Lab og vicepræsident for afdelingen for biobrændstoffer og bioprodukter ved Joint BioEnergy Institute (JBEI) i Emeryville, Californien.

"Der er bare så meget behov i vores liv lige nu for bæredygtige materialer, materialer, der ikke påvirker miljøet. Denne teknologi åbner muligheder for brændstoffer med ønskværdige egenskaber, der kan produceres fornybart, samt nye antibiotika, nye ernæringsmidler, nye forbindelser, der ville være ekstremt udfordrende at fremstille ved kun at bruge biologi eller kun kemi, " sagde hun. "Jeg tror, ​​det er den virkelige kraft af dette - det udvider rækken af ​​molekyler, vi kan adressere. Vi har virkelig brug for disruptive nye teknologier, og dette er helt sikkert en af ​​dem."

Hybridisering af metalkatalysatorer med naturlige enzymer

Hartvig, Henry Rapoport-stolen i organisk kemi ved UC Berkeley og seniorforsker ved Berkeley Lab, indlejrer metalkatalysatorer i naturlige enzymer for at lave såkaldte kunstige metalloenzymer, som kan syntetisere kemikalier, der har været svære at lave på andre måder i laboratoriet. En reaktion af disse systemer, han og hans laboratorium har arbejdet på i de sidste seks år, er at inkorporere en cyclopropan - en ring med tre kulstofatomer - i andre molekyler. Sådanne cyclopropanerede kemikalier bliver mere og mere nyttige i medicin, såsom et lægemiddel til at helbrede hepatitis C-infektioner.

Han og UC Berkeley kandidatstuderende Zhennan Liu skabte et metalloenzym, der er en hybrid af et naturligt enzym, P450 - udbredt i kroppen, især i leveren, at oxidere forbindelser - og metallet iridium. P450 inkorporerer naturligt en cofaktor kaldet hæm - også i kernen af ​​hæmoglobinmolekylet, der transporterer ilt i blodet - der naturligt indeholder et metalatom, jern.

Udskiftning af jernet til iridium, Hartwigs laboratorium genererede et metalloenzym, der i reagensglas, tilføjer succesfuldt cyclopropaner - ved at klæbe et tredje kulstof på en kulstof-kulstof dobbeltbinding - til andre organiske molekyler. Det iridium-baserede metalloenzym gør dette med stereoselektivitet - dvs. det genererer et cyclopropaneret molekyle, men ikke dets spejlbillede, som ville opføre sig anderledes i kroppen.

De slog sig derefter sammen med Berkeley Lab postdoc Jing Huang, en syntetisk biolog i laboratorierne hos Mukhopadhyay og Jay Keasling, UC Berkeley professor i kemisk og biomolekylær teknik, senior fakultetsforsker ved Berkeley Lab og administrerende direktør for JBEI, for at se, om de kunne inkorporere den iridiumholdige hæm i P450-enzymer inde i levende E. coli-celler og give bakterierne evnen til at lave cyclopropanerede molekyler helt inde i cellen.

Arbejder med UC Berkeley kandidatstuderende Brandon Bloomer, de fandt en måde at transportere hæm-molekylet indeholdende iridium ind i E. coli, hvor størstedelen af ​​iridiumet tilsat mediet, hvori bakterierne vokser, blev inkorporeret i et P450-enzym.

De syntetiske biologer balancerede derefter bakteriernes stofskifte, så de kunne producere det endelige produkt - en cyclopropaneret limonen - i en levende bakteriekultur.

"Produktet er et relativt simpelt molekyle, men dette arbejde viser potentialet til at kombinere biosyntese og kemisk syntese for at lave molekyler, som organismer aldrig har lavet før, og naturen er aldrig lavet før, sagde Hartwig.

Mukhopadhyay sagde, at inkorporering af andre metalloenzymer i bakterier kunne være en game changer med hensyn til mikrobiel produktion til fremstilling af lægemidler, samt bæredygtige brændstoffer.

"I dag, mange lægemidler udvindes møjsommeligt fra planter, der er udfordrende at dyrke og påvirker miljøet negativt. At være i stand til pålideligt at fremstille disse forbindelser i et laboratorium ved hjælp af bioteknologi ville virkelig løse mange af disse problemer, " hun sagde.

Dette gælder for at lave "ikke kun medicin, men forstadier til polymerer, vedvarende plast, biobrændstoffer, byggematerialer, hele spektret af ting, som vi bruger i dag, fra rengøringsmidler til smøremidler til maling til pigmenter til stof, " tilføjede hun. "Alt kan laves biologisk. Men udfordringen ligger i at udvikle bæredygtige, vedvarende veje til det. Og så her, vi har taget et ret væsentligt skridt hen imod det, hvor vi har været i stand til at demonstrere en kunstig kemi i en celle, en levende voksende dyrket celle, som i sagens natur så er skalerbar."

Hartwig er enig.

"Det større synspunkt er at være i stand til at skabe organismer, der vil lave unaturlige produkter, der kombinerer naturens kemi med laboratoriekemi, " sagde Hartwig. "Men laboratoriekemien ville nu forekomme inde i cellen. Hvis vi kunne gøre dette på en generel måde, vi kunne konstruere organismer til at lave alle slags stoffer, landbrugskemikalier og endda råvarekemikalier, som monomerer til polymerer, der ville drage fordel af effektiviteten og selektiviteten af ​​fermentering og biokatalyse."