教导生活一个新技巧细菌产生硼碳键

在生物工程的另一项壮举中,加州理工学院的Frances Arnold,化学工程,生物工程和生物化学的Linus Pauling教授和她的团队创造了细菌,这种细菌首次可以制造含有硼和碳之间键的化合物。在此之前,这种硼碳键仅来自化学家的实验室,并且不能通过任何已知的生命形式生产。

这一发现是合成生物学新浪潮的一部分,其中教导生物体制造药物,农业化学品和其他工业产品所需的化学化合物。去年,Arnold的团队还设计了细菌来生产具有硅 - 碳键的分子,称为有机硅化合物,可以在从药品到半导体的各种物质中找到。

Arnold表示,通过使用生物学代替合成工艺,研究人员可以以更“绿色”的方式制造化学化合物,这种化合物更经济,产生的有毒废物更少。

结果发表在11月29日的Nature杂志在线版上。该报告的主要作者是Arnold实验室的博士后学者Jennifer Kan和Xiongyi Huang。

“我们给生活带来了前所未有的全新构建模块,”阿诺德说道,他也是Donna和Benjamin M. Rosen生物工程中心的负责人。“这只是一个开始。我们为生物学探索开辟了一个新的空间,这个空间包括人类发明的有用产品。”

“大自然创造了我们可以从中受益的美丽机器,”黄说。“我们正在重新利用自然界最好的发明。”

为了诱导细菌制造含硼化合物,科学家们使用了阿诺德在20世纪90年代初开创的一种称为定向进化的方法,其中酶在实验室中进化以执行所需的功能 - 例如产生不是化学键在生物界发现。正如之前基于硅的研究所做的那样,科学家们开始研究一种叫做细胞色素c的常见蛋白质 - 但是在冰岛温泉中存在的细菌中天然存在一种变异。他们突变了编码蛋白质的DNA,然后将突变的DNA序列放入数千个细菌细胞中,看看所产生的细菌是否能产生所需的硼 - 碳键。然后成功突变蛋白的DNA再次突变,

研究人员制作了这些蛋白质的六种版本,每种蛋白质都具有略微不同的倾向,用于制造具有硼 - 碳键的各种分子。它们的最终细菌产量比用于相同反应的合成化学过程高出400倍。

Kan表示,研究人员可以使用这种技术轻松生成更多具有特定功能的蛋白质。

“蛋白质DNA就像研究人员可以进入并重写的软件一样,”Kan说,“在传统化学中,如果你想要它做一些新的东西,你必须重新合成一个完整的化学催化剂。但我们可以通过改变DNA来做到这一点。告诉细菌要做什么。“

硼来自矿物硼砂,位于元素周期表中碳的左侧。它是复合材料和肥料中常见的成分。它也是植物的必需营养素,美国宇航局的好奇号探测器最近的研究表明它存在于火星上,这是可能适宜居住条件的标志。

Kan表示,“Boron是化学界无名英雄之一。它不是我们每天都听到的元素,但它对化学的贡献是巨大的。我们很高兴第一次将这一元素添加到合成生物学工具箱中。”