Caltech-forskare har skapat en bakteriestam som kan göra små men energifyllda kolringar som är användbara utgångsmaterial för att skapa andra kemikalier och material. Dessa ringar, som annars är särskilt svåra att förbereda, nu kan "bryggas" på ungefär samma sätt som öl.

Bakterierna skapades av forskare i Frances Arnolds labb, Caltechs Linus Pauling professor i kemiteknik, Bioteknik och biokemi, med hjälp av riktad evolution, en teknik som Arnold utvecklade på 1990 -talet. Tekniken gör det möjligt för forskare att snabbt och enkelt odla bakterier med de egenskaper de önskar. Det har tidigare använts av Arnolds laboratorium för att utveckla bakterier som skapar kol-kisel- och kol-borbindningar, ingen av dem finns bland organismer i den naturliga världen. Med samma teknik, de satte sig för att bygga de små kolringarna som sällan sett i naturen.

"Bakterier kan nu bryta ut dessa mångsidiga, energirika organiska strukturer, " säger Arnold. "Med nya laboratorieutvecklade enzymer, mikroberna gör exakt konfigurerade ansträngda ringar som kemister kämpar med att göra. "

I en tidning publicerad denna månad i tidskriften Vetenskap , forskarna beskriver hur de nu har lockat Escherichia coli-bakterier till att skapa bicyklobutaner, en grupp kemikalier som innehåller fyra kolatomer ordnade så att de bildar två trianglar som delar en sida. För att visualisera dess form, tänk dig ett fyrkantigt papper som är lätt veckat längs en diagonal.

Bicyklobutaner är svåra att tillverka eftersom bindningarna mellan kolatomerna är böjda i vinklar som utsätter dem för en stor påfrestning. Att böja bort dessa bindningar från sin naturliga form tar mycket energi och kan resultera i oönskade biprodukter om förutsättningarna för deras syntes inte är helt rätt. Men det är stammen som gör bicyklobutaner så användbara. De böjda bindningarna fungerar som hårt lindade fjädrar:de packar mycket energi som kan användas för att driva kemiska reaktioner, gör bicyklobutaner användbara prekursorer till en mängd olika kemiska produkter, såsom läkemedel, jordbrukskemikalier, och material. När ansträngda ringar, som bicyklobutaner, inkorporeras i större molekyler, de kan genomsyra dessa molekyler med intressanta egenskaper – till exempel, förmågan att leda elektricitet men bara när en extern kraft appliceras - vilket gör dem potentiellt användbara för att skapa smarta material som reagerar på sin miljö.

Till skillnad från andra kolringar, såsom cyklohexaner och cyklopentaner, bicyklobutaner finns sällan i naturen. Detta kan bero på deras ärvda instabilitet eller bristen på lämpliga biologiska maskiner för montering. Men nu, Arnold och hennes team har visat att bakterier genetiskt kan omprogrammeras för att producera bicyklobutaner från enkla kommersiella utgångsmaterial. När E. coli-cellerna gör sin bakterieverksamhet, de slänger ut bicyklobutaner. Upplägget är ungefär som att lägga socker och låta det jäsa till alkohol.

"Till vår förvåning, enzymerna kan konstrueras för att effektivt göra sådana galna kolringar under omgivande förhållanden, säger doktoranden Kai Chen, huvudförfattare på tidningen. "Detta är första gången någon har introducerat en icke-inhemsk väg för bakterier att forma dessa högenergistrukturer."

Chen och hans kollegor, postdoktorer Xiongyi Huang, Jennifer Kan, och doktorand Ruijie Zhang, gjorde detta genom att ge bakterierna en kopia av en gen som kodar för ett enzym som heter cytokrom P450. Enzymet hade tidigare modifierats genom riktad evolution av Arnold-labbet och andra för att skapa molekyler som innehåller små ringar med tre kolatomer - i huvudsak hälften av en bicyklobutangrupp.

"Det fina är att en väldefinierad miljö med aktiv plats skapades i enzymet för att i hög grad underlätta bildningen av dessa högenergimolekyler, " säger Huang.

Den precision med vilken bakterieenzymerna gör sitt arbete gör det också möjligt för forskarna att effektivt tillverka exakt de ansträngda ringarna de vill ha, med en exakt konfiguration och i en enda kiral form. Kiralitet är en egenskap hos molekyler där de kan vara "högerhänta" eller "vänsterhänta, " där varje form är spegelbilden av den andra. Det spelar roll eftersom levande varelser är selektiva om vilken "handenhet" av en molekyl de använder eller producerar. Till exempel, alla levande saker använder uteslutande högerhandsformen av sockerribosen (ryggraden i DNA), och många kirala farmaceutiska kemikalier är endast effektiva i en hand; i den andra, de kan vara giftiga.

Kirala former av en molekyl är svåra att separera från varandra, men genom att ändra den genetiska koden för bakterierna, forskarna kan säkerställa att enzymerna gynnar en kiral produkt framför en annan. Mutation i generna stämde in enzymerna för att skapa ett brett spektrum av bicyklobutaner med hög precision.

Kan säger att framsteg som deras driver kemin i en grönare riktning.

"I framtiden, istället för att bygga kemiska anläggningar för att tillverka de produkter vi behöver för att förbättra livet, Skulle det inte vara bra om vi bara kunde programmera bakterier för att göra vad vi vill?" Kan säger.

Pappret, med titeln "Enzymatisk konstruktion av mycket ansträngda kolcyklar, " visas i 5 april-numret av Vetenskap .