Området syntetisk biologi har haft stor framgång med att konstruera jäst och bakterier för att tillverka kemikalier - biobränslen, läkemedel, dofter, även de hoppiga smakerna av öl - billigare och mer hållbart, med bara socker som energikälla.

Än, fältet har begränsats av det faktum att mikrober, även med gener som kastas in från växter eller andra djur, kan bara göra molekyler genom att använda naturens kemiska reaktioner. Mycket av kemin och den kemiska industrin är inriktat på att tillverka ämnen som inte finns i naturen med reaktioner som uppfunnits i ett laboratorium.

Ett samarbete mellan syntetiska kemister och syntetiska biologer vid University of California, Berkeley, och Lawrence Berkeley National Laboratory har nu övervunnit detta hinder, konstruera bakterier som kan skapa en molekyl som, tills nu, kunde bara syntetiseras i ett laboratorium.

Medan biosyntesen i bakterierna E. coli producerade ett ämne med lågt värde - och i små mängder, på det - det faktum att forskarna kunde konstruera en mikrobe för att producera något okänt i naturen öppnar dörren till produktion av ett bredare utbud av kemikalier från jäst och bakteriell jäsning, sa forskarna.

"Det är ett helt nytt sätt att göra kemisk syntes. Tanken att skapa en organism som gör en så onaturlig produkt, som kombinerar laboratoriesyntes med syntetisk biologi i en levande organism - det är bara ett futuristiskt sätt att göra organiska molekyler från två separata vetenskapsområden på ett sätt som ingen tidigare gjort, "sa John Hartwig, UC Berkeley professor i kemi och en av fyra ledande författare till studien.

Resultaten publicerades online idag (14 oktober) i tidningen Naturkemi .

Prestationen kan kraftigt utöka tillämpningarna av syntetisk biologi, som är grönare, mer hållbart sätt att göra kemikalier för konsumenter och industri, sa medförfattaren Aindrila Mukhopadhyay, en senior vetenskapsman från Berkeley Lab och vice president för avdelningen för biodrivmedel och bioprodukter vid Joint BioEnergy Institute (JBEI) i Emeryville, Kalifornien.

"Det finns så mycket behov i våra liv just nu för hållbara material, material som inte påverkar miljön. Denna teknik öppnar möjligheter för bränslen med önskvärda egenskaper som kan produceras förnybart, liksom nya antibiotika, nya näringsämnen, nya föreningar som skulle vara oerhört utmanande att bara använda biologi eller bara kemi, "sa hon." Jag tror att det är den verkliga kraften i detta - det utökar utbudet av molekyler vi kan ta itu med. Vi behöver verkligen störande ny teknik, och detta är definitivt en av dem. "

Hybridiserande metallkatalysatorer med naturliga enzymer

Hartwig, Henry Rapoport -stolen i organisk kemi vid UC Berkeley och en senior fakultetsvetare vid Berkeley Lab, inbäddar metallkatalysatorer i naturliga enzymer för att göra så kallade artificiella metalloenzymer, som kan syntetisera kemikalier som har varit svåra att tillverka på andra sätt i laboratoriet. En reaktion av dessa system som han och hans laboratorium har arbetat med under de senaste sex åren är att införliva en cyklopropan - en ring med tre kolatomer - i andra molekyler. Sådana cyklopropanerade kemikalier blir alltmer användbara i läkemedel, såsom ett läkemedel för att bota hepatit C -infektioner.

Han och UC Berkeley doktorand Zhennan Liu skapade ett metalloenzym som är en hybrid av ett naturligt enzym, P450 - används ofta i kroppen, särskilt i levern, att oxidera föreningar - och metallen iridium. P450 innehåller naturligt en kofaktor som kallas hem - även i kärnan i hemoglobinmolekylen som transporterar syre i blodet - som naturligt innehåller en metallatom, järn.

Byta ut järnet för iridium, Hartwigs laboratorium genererade ett metalloenzym som, i provrör, tillför framgångsrikt cyklopropaner-genom att fästa ett tredje kol på en kol-kol-dubbelbindning-till andra organiska molekyler. Det iridiumbaserade metalloenzymet gör detta med stereoselektivitet-det vill säga det genererar en cyklopropanerad molekyl, men inte dess spegelbild, som skulle bete sig annorlunda i kroppen.

De samarbetade sedan med Berkeley Lab postdoktor Jing Huang, en syntetisk biolog i laboratorierna i Mukhopadhyay och Jay Keasling, UC Berkeley professor i kemisk och biomolekylär teknik, senior fakultetsvetare vid Berkeley Lab och VD för JBEI, för att se om de kunde införliva det iridiuminnehållande hemet i P450-enzymer inuti levande E. coli-celler och ge bakterierna förmågan att göra cyklopropanerade molekyler helt inuti cellen.

Arbetar med UC Berkeley doktorand Brandon Bloomer, de hittade ett sätt att transportera hemmolekylen som innehåller iridium till E. coli, där en majoritet av iridium tillsatt till mediet i vilket bakterierna växer införlivades i ett P450 -enzym.

De syntetiska biologerna balanserade sedan metabolismen av bakterierna så att de kunde producera slutprodukten - en cyklopropanerad limonen - i en levande bakteriekultur.

"Produkten är en relativt enkel molekyl, men detta arbete visar potentialen att kombinera biosyntes och kemisk syntes för att göra molekyler som organismer aldrig har gjort tidigare, och naturen har aldrig gjorts förut, "Sa Hartwig.

Mukhopadhyay sa att införlivande av andra metalloenzymer i bakterier kan vara en spelväxlare när det gäller mikrobiell produktion för att tillverka läkemedel, samt hållbara bränslen.

"I dag, många läkemedel utvinns mödosamt från växter som är utmanande att odla och påverkar miljön negativt. Att på ett tillförlitligt sätt kunna tillverka dessa föreningar i ett laboratorium med bioteknik skulle verkligen ta itu med många av dessa problem, " Hon sa.

Det gäller att göra "inte bara mediciner, men föregångare till polymerer, förnybar plast, biobränslen, byggmaterial, hela spektret av saker som vi använder idag, från tvättmedel till smörjmedel till färg till pigment till tyg, "tillade hon." Allt kan göras biologiskt. Men utmaningen ligger i att utveckla hållbara förnybara vägar till den. Och så här, vi har tagit ett ganska stort steg mot det, där vi har kunnat demonstrera en artificiell kemi i en cell, en levande växande odlad cell, vilket i sig är skalbart. "

Hartwig håller med.

"Den större uppfattningen är att kunna skapa organismer som kommer att göra onaturliga produkter som kombinerar naturens kemi med laboratoriekemi, "Sade Hartwig." Men laboratoriekemin skulle nu förekomma inuti cellen. Om vi ​​kunde göra detta på ett generellt sätt, vi kan konstruera organismer för att göra alla slags droger, jordbrukskemikalier och till och med råvarukemikalier, som monomerer för polymerer, det skulle dra nytta av effektiviteten och selektiviteten vid jäsning och biokatalys. "