Caltech-wetenschappers hebben een bacteriestam gecreëerd die kleine maar energierijke koolstofringen kan maken die nuttige uitgangsmaterialen zijn voor het maken van andere chemicaliën en materialen. deze ringen, die anders bijzonder moeilijk te bereiden zijn, nu kan worden "gebrouwen" op vrijwel dezelfde manier als bier.

De bacteriën zijn gemaakt door onderzoekers in het lab van Frances Arnold, Caltech's Linus Pauling hoogleraar chemische technologie, Bio-engineering en biochemie, met behulp van gerichte evolutie, een techniek die Arnold in de jaren negentig ontwikkelde. De techniek stelt wetenschappers in staat om snel en gemakkelijk bacteriën te kweken met de eigenschappen die ze wensen. Het is eerder door Arnold's lab gebruikt om bacteriën te ontwikkelen die koolstof-silicium- en koolstof-boorbindingen creëren, geen van beide wordt gevonden onder organismen in de natuurlijke wereld. Met dezelfde techniek, ze wilden de kleine koolstofringen bouwen die zelden in de natuur worden gezien.

"Bacteriën kunnen nu deze veelzijdige, energierijke organische structuren, Arnold zegt. Met nieuwe in het laboratorium ontwikkelde enzymen, de microben maken nauwkeurig gevormde gespannen ringen die chemici moeilijk kunnen maken."

In een artikel dat deze maand in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , beschrijven de onderzoekers hoe ze nu Escherichia coli-bacteriën hebben overgehaald om bicyclobutanen te maken, een groep chemicaliën die vier koolstofatomen bevat die zo zijn gerangschikt dat ze twee driehoeken vormen die een zijde delen. Om zijn vorm te visualiseren, stel je een vierkant stuk papier voor dat lichtjes gevouwen is langs een diagonaal.

Bicyclobutanen zijn moeilijk te maken omdat de bindingen tussen de koolstofatomen zo worden gebogen dat ze onder grote druk komen te staan. Het wegbuigen van deze bindingen van hun natuurlijke vorm kost veel energie en kan leiden tot ongewenste bijproducten als de omstandigheden voor hun synthese niet precies goed zijn. Maar het is de soort die bicyclobutanen zo nuttig maakt. De gebogen verbindingen werken als strak gewikkelde veren:ze bevatten veel energie die kan worden gebruikt om chemische reacties aan te drijven, het maken van bicyclobutanen bruikbare voorlopers van een verscheidenheid aan chemische producten, zoals geneesmiddelen, landbouwchemicaliën, en materialen. Wanneer gespannen ringen, zoals bicyclobutanen, worden opgenomen in grotere moleculen, ze kunnen die moleculen interessante eigenschappen geven, bijvoorbeeld het vermogen om elektriciteit te geleiden, maar alleen wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend, waardoor ze potentieel nuttig zijn voor het maken van slimme materialen die reageren op hun omgeving.

In tegenstelling tot andere koolstofringen, zoals cyclohexanen en cyclopentanen, bicyclobutanen worden zelden in de natuur aangetroffen. Dit kan te wijten zijn aan hun erfelijke instabiliteit of het ontbreken van geschikte biologische machines voor hun assemblage. Maar nu, Arnold en haar team hebben aangetoond dat bacteriën genetisch geherprogrammeerd kunnen worden om bicyclobutanen te produceren uit eenvoudige commerciële uitgangsmaterialen. Terwijl de E. coli-cellen hun bacteriële activiteiten uitvoeren, ze produceren bicyclobutanen. De opzet is een beetje zoals suiker zetten en het laten fermenteren tot alcohol.

"Tot onze verbazing de enzymen kunnen worden ontworpen om zulke gekke koolstofringen efficiënt te maken onder omgevingsomstandigheden, " zegt afgestudeerde student Kai Chen, hoofdauteur op het papier. "Dit is de eerste keer dat iemand een niet-inheemse route heeft geïntroduceerd voor bacteriën om deze hoogenergetische structuren te smeden."

Chen en zijn collega's, postdocs Xiongyi Huang, Jennifer Kan, en afgestudeerde student Ruijie Zhang, deed dit door de bacteriën een kopie te geven van een gen dat codeert voor een enzym dat cytochroom P450 wordt genoemd. Het enzym was eerder gemodificeerd door gerichte evolutie door het Arnold-lab en anderen om moleculen te creëren die kleine ringen van drie koolstofatomen bevatten - in wezen de helft van een bicyclobutaangroep.

"Het mooie is dat er een goed gedefinieerde actieve-site-omgeving in het enzym is gemaakt om de vorming van deze hoogenergetische moleculen aanzienlijk te vergemakkelijken, ' zegt Huang.

De precisie waarmee de bacteriële enzymen hun werk doen, stelt de onderzoekers ook in staat om efficiënt de exacte gespannen ringen te maken die ze willen, met een precieze configuratie en in een enkele chirale vorm. Chiraliteit is een eigenschap van moleculen waarin ze "rechtshandig" of "linkshandig, " waarbij elke vorm het spiegelbeeld van de andere is. Het is van belang omdat levende wezens selectief zijn over welke "handigheid" van een molecuul ze gebruiken of produceren. Bijvoorbeeld, alle levende wezens gebruiken uitsluitend de rechtshandige vorm van de suikerribose (de ruggengraat van DNA), en veel chirale farmaceutische chemicaliën zijn alleen effectief met één hand; in de andere, ze kunnen giftig zijn.

Chirale vormen van een molecuul zijn moeilijk van elkaar te scheiden, maar door de genetische code van de bacteriën te veranderen, de onderzoekers kunnen ervoor zorgen dat de enzymen het ene chirale product prefereren boven het andere. Mutatie in de genen stemde de enzymen af ​​om met hoge precisie een breed scala aan bicyclobutanen te smeden.

Kan zegt dat ontwikkelingen zoals die van hen de chemie in een groenere richting duwen.

"In de toekomst, in plaats van chemische fabrieken te bouwen voor het maken van de producten die we nodig hebben om levens te verbeteren, zou het niet geweldig zijn als we bacteriën konden programmeren om te maken wat we willen?", zegt Kan.

De krant, getiteld "Enzymatische constructie van zwaar belaste carbocycles, " verschijnt in het nummer van 5 april van Wetenschap .