Het gebied van synthetische biologie heeft veel succes gehad met het ontwikkelen van gist en bacteriën om chemicaliën te maken - biobrandstoffen, geneesmiddelen, geuren, zelfs de hoppige smaken van bier - goedkoper en duurzamer, met alleen suiker als energiebron.

Nog, het veld is beperkt door het feit dat microben, zelfs met genen van planten of andere dieren, kan alleen moleculen maken door gebruik te maken van de chemische reacties van de natuur. Een groot deel van de chemie en de chemische industrie is gericht op het maken van stoffen die niet in de natuur voorkomen met reacties die in een laboratorium zijn uitgevonden.

Een samenwerking tussen synthetisch chemici en synthetisch biologen van de University of California, Berkeley, en Lawrence Berkeley National Laboratory heeft die hindernis nu overwonnen, technische bacteriën die een molecuul kunnen maken dat, tot nu, kon alleen in een laboratorium worden gesynthetiseerd.

Terwijl de biosynthese in de bacterie E. coli een stof van lage waarde produceerde - en in kleine hoeveelheden, bovendien - het feit dat de onderzoekers een microbe konden ontwerpen om iets onbekends in de natuur te produceren, opent de deur naar de productie van een breder scala aan chemicaliën uit gist en bacteriële fermentatie, aldus de onderzoekers.

"Het is een compleet nieuwe manier om chemische synthese uit te voeren. Het idee om een ​​organisme te creëren dat zo'n onnatuurlijk product maakt, dat laboratoriumsynthese combineert met synthetische biologie in een levend organisme - het is gewoon een futuristische manier om organische moleculen uit twee afzonderlijke wetenschapsgebieden te maken op een manier die nog niemand eerder heeft gedaan, " zei John Hartwig, UC Berkeley hoogleraar scheikunde en een van de vier senior auteurs van de studie.

De bevindingen werden vandaag (14 oktober) online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie .

De prestatie zou de toepassingen van synthetische biologie aanzienlijk kunnen uitbreiden, wat groener is, duurzamere manier om chemicaliën te maken voor consumenten en industrie, zei co-auteur Aindrila Mukhopadhyay, een Berkeley Lab senior wetenschapper en vice-president van de Biofuels and Bioproducts Division bij het Joint BioEnergy Institute (JBEI) in Emeryville, Californië.

"Er is op dit moment in ons leven zoveel behoefte aan duurzame materialen, materialen die het milieu niet belasten. Deze technologie opent mogelijkheden voor brandstoffen met gewenste eigenschappen die duurzaam kunnen worden geproduceerd, evenals nieuwe antibiotica, nieuwe nutraceuticals, nieuwe verbindingen die buitengewoon uitdagend zouden zijn om te maken met alleen biologie of alleen chemie, "zei ze. "Ik denk dat dat de echte kracht hiervan is - het vergroot het aantal moleculen dat we kunnen aanpakken. We hebben echt disruptieve nieuwe technologieën nodig, en dit is er zeker een van."

Hybridiseren van metaalkatalysatoren met natuurlijke enzymen

Hartwig, de Henry Rapoport Chair in Organic Chemistry aan UC Berkeley en een senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab, integreert metaalkatalysatoren in natuurlijke enzymen om zogenaamde kunstmatige metalloenzymen te maken, die chemicaliën kan synthetiseren die moeilijk op andere manieren in het laboratorium te maken waren. Een reactie van deze systemen waaraan hij en zijn lab de afgelopen zes jaar hebben gewerkt, is het opnemen van een cyclopropaan - een ring van drie koolstofatomen - in andere moleculen. Dergelijke cyclopropaanhoudende chemicaliën worden steeds nuttiger in medicijnen, zoals een medicijn om hepatitis C-infecties te genezen.

Hij en UC Berkeley afgestudeerde student Zhennan Liu creëerden een metallo-enzym dat een hybride is van een natuurlijk enzym, P450—veel gebruikt in het lichaam, vooral in de lever, om verbindingen te oxideren - en het metaaliridium. P450 bevat van nature een cofactor die heem wordt genoemd - ook in de kern van het hemoglobinemolecuul dat zuurstof in het bloed transporteert - dat van nature een metaalatoom bevat, ijzer.

Het strijkijzer uitschakelen voor iridium, Hartwig's lab genereerde een metallo-enzym dat, in reageerbuizen, voegt met succes cyclopropanen toe - door een derde koolstof op een koolstof-koolstof dubbele binding te plakken - aan andere organische moleculen. Het op iridium gebaseerde metallo-enzym doet dit met stereoselectiviteit - dat wil zeggen, het genereert een cyclopropaanmolecuul, maar niet zijn spiegelbeeld, die zich in het lichaam anders zouden gedragen.

Ze werkten vervolgens samen met Berkeley Lab, postdoctoraal fellow Jing Huang, een synthetisch bioloog in de laboratoria van Mukhopadhyay en Jay Keasling, UC Berkeley hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en CEO van JBEI, om te zien of ze het iridium-bevattende heem konden opnemen in P450-enzymen in levende E. coli-cellen en de bacteriën het vermogen konden geven om cyclopropaanmoleculen volledig in de cel te maken.

Werken met UC Berkeley afgestudeerde student Brandon Bloomer, ze vonden een manier om het heemmolecuul met het iridium naar E. coli te transporteren, waar een meerderheid van het iridium dat aan het medium waarin de bacteriën groeien werd toegevoegd, werd opgenomen in een P450-enzym.

De synthetisch biologen brachten vervolgens het metabolisme van de bacteriën in evenwicht, zodat ze het eindproduct - een cyclopropaanhoudende limoneen - in een levende bacteriecultuur konden produceren.

"Het product is een relatief eenvoudig molecuul, maar dit werk toont het potentieel aan om biosynthese en chemische synthese te combineren om moleculen te maken die organismen nog nooit eerder hebben gemaakt, en de natuur is nog nooit eerder gemaakt, ' zei Hartwig.

Mukhopadhyay zei dat het opnemen van andere metallo-enzymen in bacteriën een game changer zou kunnen zijn in termen van microbiële productie om farmaceutische producten te maken, maar ook duurzame brandstoffen.

"Vandaag, veel medicijnen worden moeizaam gewonnen uit planten die moeilijk te kweken zijn en een negatieve invloed hebben op het milieu. Als we deze verbindingen in een laboratorium met behulp van biotechnologie betrouwbaar kunnen maken, zouden veel van deze problemen echt worden aangepakt, " ze zei.

Dit geldt voor het maken van "niet alleen medicijnen, maar voorlopers van polymeren, hernieuwbare kunststoffen, biobrandstoffen, bouwstoffen, het hele scala aan dingen die we tegenwoordig gebruiken, van wasmiddelen tot smeermiddelen tot verven tot pigmenten tot stof, " voegde ze eraan toe. "Alles kan biologisch worden gemaakt. Maar de uitdaging ligt in het ontwikkelen van duurzame, hernieuwbare routes ernaartoe. En dus hier, we hebben er een behoorlijk substantiële stap in gezet, waar we een kunstmatige chemie in een cel hebben kunnen aantonen, een levende groeiende gekweekte cel, die inherent dan schaalbaar is."

Hartwig is het daarmee eens.

"Het grotere perspectief is om organismen te kunnen creëren die onnatuurlijke producten zullen maken die de chemie van de natuur combineren met laboratoriumchemie, ' zei Hartwig. 'Maar de laboratoriumchemie zou nu in de cel plaatsvinden. Als we dit op een algemene manier zouden kunnen doen, we zouden organismen kunnen manipuleren om allerlei soorten medicijnen te maken, landbouwchemicaliën en zelfs basischemicaliën, zoals monomeren voor polymeren, dat zou profiteren van de efficiëntie en selectiviteit van fermentatie en biokatalyse."