Fig.1 Fenolproduktion med hjälp av bakterier. Kredit:Osami Shoji och Masayuki Karasawa
Forskare vid Nagoya University använder E.coli för att omvandla bensen till fenol, förenkla en kemisk reaktion som är svår med konventionella metoder
Att bryta kol-vätebindningar är notoriskt svårt i labbkemi, ändå gör naturen det utan ansträngning. Nu, forskare har använt E.coli-bakterier för att oxidera C–H-bindningarna i bensen för att generera fenol, med ett genetiskt insatt enzym (cytokrom P450BM3), som ursprungligen utvecklades för att rikta sig mot andra molekyler, långkedjiga fettsyror.
Att få enzymer att göra nya reaktioner – att effektivt kapa biokemin i levande celler för våra egna syften – är i allmänhet knepigt, som involverar svåra förhållanden eller genetisk modifiering av själva enzymerna.
Dock, forskare vid Nagoya University arbetade kring detta genom att använda "lock"-molekyler, som efterliknar de naturliga målen (substraten) av naturligt förekommande enzymer, för att aktivera den önskade reaktionen.
Som rapporterats i Angewandte Chemie International Edition , forskargruppen skapade en förening – kallad C7-Pro-Phe – baserad på aminosyror. Denna lockbetemolekyl liknar fettsyrorna som E.coli metaboliserar. Sätt in lockbetet i en E.coli-cell, och det kommer att misskännas som en fettsyra, utlöser aktivering av det införda P450-enzymet. Tillför nu bensen (C6H6), och bakterierna blir upptagna, oxiderar C6H6 till C6H6O (fenol). Inget behov av det vanliga laboratoriet - levande celler kan utföra komplex kemi tyst och effektivt.
Fig.2 Hydroxylering av bensen med hjälp av lockbetemolekyler. Allmän katalytisk cykel av P450BM3 (svart) och en rimlig katalytisk cykel (blå) för bensenhydroxylering katalyserad av P450BM3 med hjälp av lockbetsmolekylen. Kredit:Osami Shoji och Masayuki Karasawa
"Fördelen med vårt system är att C7-Pro-Phe lätt kan tas upp av bakterierna, där den aktiverar P450BM3 i cellen. Detta förvandlar effektivt varje bakterie till en helcellsbiokatalysator, ", säger den första författaren Masayuki Karasawa för studien. "Cellen är en optimal miljö för den biokemiska reaktionen. Locken gör faktiskt om enzymets aktiva plats, ger oss kontroll över aspekter av reaktionen, såsom stereoselektivitet."
Allt som behövs är en färdig försörjning av glukos – som kan återvinnas från restprodukter – för att mata E.coli.
Eftersom en naturligt förekommande – snarare än genetiskt modifierad – variant av enzymet uttrycks av E.coli, Det är troligt att andra bakterier också kan modifieras med samma gen för att utföra detta jobb. Dessutom, olika lockbeten kan vara lämpliga för olika substrat eller bakterier. "Ett kombinerat program av lockbete-screening och mutagenes kan skapa en mångsidig verktygslåda för helcellsreaktioner med hjälp av bakterier, " säger medförfattaren Osami Shoji.
