Los científicos de Caltech han creado una cepa de bacterias que pueden hacer anillos de carbono pequeños pero llenos de energía que son materiales de partida útiles para crear otros productos químicos y materiales. Estos anillos, que de otro modo serían particularmente difíciles de preparar, ahora pueden "elaborarse" ende la misma manera que la cerveza.
La bacteria fue creada por investigadores en el laboratorio de Frances Arnold, profesor de ingeniería química, bioingeniería y bioquímica de Lintech Pauling de Caltech, utilizando la evolución dirigida, una técnica desarrollada por Arnold en la década de 1990. La técnica permite a los científicos criar bacterias rápida y fácilmente conlos rasgos que desean. Anteriormente fue utilizado por el laboratorio de Arnold para desarrollar bacterias que crean enlaces carbono-silicio y carbono-boro, ninguno de los cuales se encuentra entre los organismos del mundo natural. Utilizando esta misma técnica, se propusieron construirLos pequeños anillos de carbono rara vez se ven en la naturaleza.
"Las bacterias ahora pueden producir estas estructuras orgánicas versátiles y ricas en energía", dice Arnold. "Con las nuevas enzimas desarrolladas en laboratorio, los microbios crean anillos tensados configurados con precisión que los químicos luchan por hacer".
En un artículo publicado este mes en la revista ciencia , los investigadores describen cómo ahora han inducido a la bacteria Escherichia coli a crear biciclobutanos, un grupo de químicos que contienen cuatro átomos de carbono dispuestos de manera que formen dos triángulos que comparten un lado. Para visualizar su forma, imagine un trozo de papel cuadrado que esligeramente arrugado a lo largo de una diagonal.
Los biciclobutanos son difíciles de fabricar porque los enlaces entre los átomos de carbono están doblados en ángulos que los someten a una gran tensión. Doblar estos enlaces lejos de su forma natural requiere mucha energía y puede producir subproductos no deseados si las condicionesporque su síntesis no es la correcta, pero es la cepa lo que hace que los biciclobutanos sean tan útiles. Los enlaces doblados actúan como resortes herméticamente apretados: acumulan mucha energía que puede usarse para impulsar reacciones químicas, haciendo que los biciclobutanos sean precursores útiles para una variedadde productos químicos, como productos farmacéuticos, agroquímicos y materiales. Cuando los anillos tensos, como los biciclobutanos, se incorporan a moléculas más grandes, pueden imbuir a esas moléculas con propiedades interesantes, por ejemplo, la capacidad de conducir electricidad, pero solo cuando una fuerza externase aplica, lo que los hace potencialmente útiles para crear materiales inteligentes que respondan a sus entornos.
A diferencia de otros anillos de carbono, como los ciclohexanos y los ciclopentanos, los biciclobutanos rara vez se encuentran en la naturaleza. Esto podría deberse a su inestabilidad hereditaria o la falta de mecanismos biológicos adecuados para su ensamblaje. Pero ahora, Arnold y su equipo han demostrado que las bacteriaspuede reprogramarse genéticamente para producir biciclobutanos a partir de materiales de partida comerciales simples. A medida que las células de E. coli realizan su actividad bacteriana, producen biciclobutanos. La configuración es como poner azúcar y dejar que fermente en alcohol.
"Para nuestra sorpresa, las enzimas se pueden diseñar para hacer eficientemente tales anillos de carbono locos en condiciones ambientales", dice el estudiante graduado Kai Chen, autor principal del artículo. "Esta es la primera vez que alguien introduce una vía no nativapara que las bacterias forjen estas estructuras de alta energía "
Chen y sus colegas, los posdoctorales Xiongyi Huang, Jennifer Kan y el estudiante graduado Ruijie Zhang, hicieron esto al dar a la bacteria una copia de un gen que codifica una enzima llamada citocromo P450. La enzima había sido modificada previamente a través de la evolución dirigida por elArnold lab y otros para crear moléculas que contengan pequeños anillos de tres átomos de carbono, esencialmente la mitad de un grupo biciclobutano.
"La belleza es que se creó un entorno de sitio activo bien definido en la enzima para facilitar en gran medida la formación de estas moléculas de alta energía", dice Huang.
La precisión con la que las enzimas bacterianas hacen su trabajo también permite a los investigadores hacer eficientemente los anillos tensos exactos que desean, con una configuración precisa y en una sola forma quiral. La quiralidad es una propiedad de las moléculas en las que pueden ser "correctas""zurdo" o "zurdo", y cada forma es la imagen especular de la otra. Importa porque los seres vivos son selectivos acerca de qué "mano" de una molécula usan o producen. Por ejemplo, todos los seres vivos usan exclusivamenteforma diestra de la ribosa de azúcar la columna vertebral del ADN, y muchos productos químicos farmacéuticos quirales solo son efectivos en una mano; en la otra, pueden ser tóxicos.
Las formas quirales de una molécula son difíciles de separar entre sí, pero al cambiar el código genético de la bacteria, los investigadores pueden asegurarse de que las enzimas favorezcan un producto quiral sobre otro. La mutación en los genes sintonizó las enzimas para forjar un amplio rangode biciclobutanos con alta precisión.
Kan dice que avances como el suyo están empujando la química en una dirección más verde.
"En el futuro, en lugar de construir plantas químicas para fabricar los productos que necesitamos para mejorar la vida, ¿no sería genial si pudiéramos programar las bacterias para hacer lo que queremos?", Dice Kan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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