Mokslininkai veisiasi bakterijos, kurios gamina mažus energetinius anglies žiedus

Išmanusis telefonas - raktas į mokslo pasaulį || Piliečių mokslas #3 (Birželis 2019).

Anonim

"Caltech" mokslininkai sukūrė bakterijų kamieną, galinčią pagaminti mažus, bet energetinius anglies žiedus, kurie yra naudingos pradinės medžiagos kitų cheminių medžiagų ir medžiagų gamybai. Šie žiedai, kuriuos kitaip ypač sunku paruošti, dabar gali būti "išvirti" taip pat, kaip ir alui.

Bakterijas sukūrė tyrinėtojai Franceso Arnoldo laboratorijoje, Caltecho chemijos inžinerijos, bioinžinerijos ir biochemijos profesoriaus Linuso Paulingo, panaudojusį kryptingą evoliuciją - 1990-aisiais sukurta technika Arnoldas. Ši technologija leidžia mokslininkams greitai ir lengvai auginti bakterijas su pageidaujamomis savybėmis. Anksčiau ji buvo naudojama Arnoldo laboratorijoje, kuriant bakterijas, kurios sukuria anglies-silicio ir anglies-boro jungtis, kurių nė viena nėra natūralaus pasaulio organizmuose. Naudodami tą pačią techniką, jie nusprendė sukurti mažus anglies žiedus, retai pastebėtus gamtoje.

"Dabar bakterijos gali išstumti šias universalias, energiją turtingas organines struktūras", - sako Arnoldas. "Su naujais labdaringais fermentais, mikrobai sukuria tiksliai sukonstruotus įtemptus žiedus, kuriuos chemikai kova daro".

Žurnale " Science", paskelbtame šį mėnesį, mokslininkai apibūdina, kaip dabar jie paskatino Escherichia coli bakterijas kurti biciklobutanus - grupę cheminių medžiagų, kuriose yra keturių anglies atomų, išdėstytų taip, kad jie sudaro du trikampius, kurie turi vieną pusę. Norėdami vizualizuoti savo formą, įsivaizduokite kvadratinį gabalėlį popieriaus, kuris šiek tiek susisukęs per įstrižainę.

Biciklobutanus sunku padaryti, nes ryšiai tarp anglies atomų yra sulenktos kampuose, dėl kurių jie susiduria su dideliu įtempimu. Šių obligacijų lenkimas toli nuo jų natūralios formos užima daug energijos ir gali sukelti nepageidaujamus šalutinius produktus, jei jų sintezės sąlygos yra ne tik teisingos. Bet tai yra štamas, dėl kurio biciklobutanai tampa naudingi. Išlenktos jungtys veikia kaip tvirtai suvyniotos spyruoklės: jos sunaudoja daug energijos, kuri gali būti naudojama cheminėms reakcijoms vairuoti, todėl biciklobutanai yra naudingi pirmtakai įvairiems cheminiams produktams, pvz., Vaistams, agrochemikalams ir medžiagoms. Kai įtempti žiedai, tokie kaip biciklobutanai, yra įtraukti į didesnes molekules, jie gali įtakoti šias molekules su įdomiomis savybėmis, pavyzdžiui, gebėjimas atlikti elektra, bet tik tada, kai naudojama išorinė jėga, todėl jie gali būti naudingi kuriant protingas medžiagas, kurios reaguoja į jų aplinką.

Skirtingai nuo kitų anglies žiedų, tokių kaip cikloheksanai ir ciklopentanai, retai natūraliai randama biciklobutanų. Tai gali būti dėl jų paveldėjimo nestabilumo arba tinkamų biologinių mechanizmų trūkumo jų surinkimui. Tačiau dabar Arnoldas ir jos komanda parodė, kad bakterijos gali būti genetiškai perprogramuotos gaminti biciklobutanus iš paprastų komercinių pradinių medžiagų. Kadangi E. coli ląstelės eina apie savo bakterijų verslą, jos išskiria biciklobutanus. Nustatymas yra toks pat kaip cukraus išleidimas ir alkoholio vartojimas.

"Nenuostabu, kad fermentai gali būti sukurti taip, kad jie efektyviai sukurtų tokius nesąmoningus anglies žiedus esant aplinkos sąlygoms", - teigia magistras Kai Chen, pagrindinis autorius. "Tai pirmas kartas, kai kas nors įvedė nebranduolinį bakterijų kelią, kuris sukūrė šias aukštos energetines struktūras".

Chenas ir jo kolegos, postdocs Xiongyi Huang, Jennifer Kan ir magistras Ruijie Zhang padarė tai, suteikdami bakterijoms geną, koduojantį citochromo P450 fermentą. Enzimas anksčiau buvo modifikuotas per nukreiptą evoliuciją Arnoldo laboratorijoje ir kituose, siekiant sukurti molekules, turinčias mažus trijų anglies atomų žiedus, iš esmės pusę biciklobutano grupės.

"Grožis yra tai, kad gerai apibrėžta aktyvi vieta aplinkoje buvo sukurta fermentu, kad labai palengvintų šių didelės energijos molekulių susidarymą", - sako Huangas.

Tikslumas, kuriuo bakterijų fermentai atlieka savo darbą, taip pat leidžia mokslininkams efektyviai atlikti tikslius įtemptus žiedus, kuriuos jie nori, su tiksliu konfigūracija ir vienu chiraliniu formatu. Chiralija yra molekulių savybė, kurioje jos gali būti "dešiniosios" arba "kairės", o kiekviena forma yra kito veidrodžio atvaizdas. Tai svarbu, nes gyvenantys daiktai yra atrankiniai, apie tai, kokia molekulės "verga" jie naudoja ar gamina. Pavyzdžiui, visi gyvi daiktai naudoja tik teisingą cukraus ribose (DNR stuburo) formą, o daugelis chiralinių farmacinių cheminių medžiagų yra veiksmingos tik vienos rankos; kita vertus, jie gali būti toksiški.

Molekulės chiralines formas sunku atskirti vienas nuo kito, bet keičiant bakterijų genetinį kodą, tyrėjai gali užtikrinti, kad fermentai naudotų vieną chiralinį produktą kitam. Genų mutacija sureguliavo fermentus, kurie labai tiksliai sukūrė platų biciklobutanų spektrą.

Kan sako, kad tokie pasiekimai, kaip jie, stumia chemiją ekologiškesne kryptimi.

"Ateityje vietoj to, kad pastatyti chemijos gamyklas, kad pagamintume produktus, turime pagerinti gyvybes, ar ne būtų puiku, jei galėtume tik supakuoti bakterijas, kad galėtume padaryti tai, ko norime?" Kan sako.

Straipsnis, pavadintas "Labai įtemptų karbociklių fermentinis konstravimas", yra 5-ojo mokslo numerio numeris.

menu
menu