In een ander staaltje van bio-engineering, Caltech's Frances Arnold, de Linus Pauling hoogleraar chemische technologie, Bio-engineering en biochemie, en haar team hebben bacteriën gecreëerd die, Voor de eerste keer, chemische verbindingen maken die bindingen tussen boor en koolstof bevatten. Voor nu, dergelijke borium-koolstofbindingen kwamen alleen uit de laboratoria van chemici en konden door geen enkele bekende levensvorm worden geproduceerd.

De bevinding maakt deel uit van een nieuwe golf in de synthetische biologie, waarin levende organismen wordt geleerd om chemische verbindingen te maken die nodig zijn voor geneesmiddelen, landbouwchemicaliën, en andere industriële producten. Vorig jaar, Arnold's team ontwikkelde ook bacteriën om moleculen te produceren met silicium-koolstofbindingen. organosiliciumverbindingen genoemd, die in alles te vinden is, van geneesmiddelen tot halfgeleiders.

Door biologie te gebruiken in plaats van synthetische processen, onderzoekers kunnen de chemische verbindingen mogelijk op "groenere" manieren maken die zuiniger zijn en minder giftig afval produceren, volgens Arnoldus.

De resultaten zijn gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift op 29 november Natuur . Hoofdauteurs van het rapport zijn Jennifer Kan en Xiongyi Huang, postdoctorale wetenschappers in het laboratorium van Arnold.

"We hebben het leven een hele nieuwe bouwsteen gegeven die het voorheen niet had, " zegt Arnoldus, die ook de directeur is van het Donna en Benjamin M. Rosen Bioengineering Center. "Dit is nog maar het begin. We hebben een nieuwe ruimte geopend voor biologie om te verkennen, een ruimte met nuttige producten die door mensen zijn uitgevonden."

"De natuur heeft prachtige machines gecreëerd waar we van kunnen profiteren, " zegt Huang. "We gebruiken de beste uitvindingen van de natuur opnieuw."

Om de bacteriën over te halen boorbevattende verbindingen te maken, de wetenschappers gebruikten een methode die in het begin van de jaren negentig door Arnold werd ontwikkeld, gerichte evolutie genaamd, waarin enzymen worden ontwikkeld in een laboratorium om gewenste functies uit te voeren, zoals het creëren van chemische bindingen die niet worden gevonden in de biologische wereld. Zoals werd gedaan in het vorige op silicium gebaseerde onderzoek, de wetenschappers begonnen met een veelvoorkomend eiwit dat cytochroom c wordt genoemd, maar met een variant die van nature voorkomt in bacteriën die in IJslandse warmwaterbronnen leven. Ze muteerden het DNA dat codeert voor het eiwit en plaatsten de gemuteerde DNA-sequenties vervolgens in duizenden bacteriële cellen om te zien of de resulterende bacteriën de gewenste boor-koolstofbindingen konden creëren. Het DNA van succesvolle mutante eiwitten werd vervolgens opnieuw gemuteerd, en de cyclus werd herhaald totdat de bacteriën die de eiwitten maakten zeer bedreven waren in het samenstellen van de boor-koolstofverbindingen.

De onderzoekers maakten zes versies van deze eiwitten, elk met een iets andere voorliefde voor het maken van verschillende moleculen met boor-koolstofbindingen. Hun uiteindelijke bacteriële creaties waren tot 400 keer productiever dan synthetische chemische processen die voor dezelfde reactie werden gebruikt.

Kan zegt dat onderzoekers met deze techniek gemakkelijk nog meer eiwitten met specifieke functies kunnen genereren.

"Het eiwit-DNA is als software die onderzoekers kunnen invoeren en herschrijven, " zegt Kan. "In de traditionele scheikunde, je moet een hele chemische katalysator opnieuw synthetiseren als je wilt dat het iets nieuws doet. Maar we kunnen dit doen door simpelweg het DNA te veranderen dat de bacteriën vertelt wat ze moeten maken."

boor, die afkomstig is van het mineraal borax, zit net links van koolstof op het periodiek systeem. Het is een veelgebruikt ingrediënt dat wordt aangetroffen in composietmaterialen en in meststoffen. Het is ook een essentiële voedingsstof voor planten, en recent onderzoek van NASA's Curiosity-rover toonde aan dat het aanwezig is op Mars, een teken van mogelijke bewoonbare omstandigheden.

zegt Kan, "Boron is een van de onbezongen helden van de scheikunde. Het is niet een element waar we elke dag over horen, maar zijn bijdrage aan de chemie is enorm. We zijn verheugd om dit element voor het eerst toe te voegen aan de toolbox van synthetische biologie."

De Natuur studie is getiteld "Genetisch geprogrammeerde chirale organoboraansynthese."