Interpretazione artistica di uno scienziato che introduce il boro nella chimica della vita a base di carbonio. Jennifer Kan, Xiongyi Huang e il loro team del laboratorio Caltech di Frances Arnold hanno creato batteri in grado di creare per la prima volta composti con legami boro-carbonio. Credito:David Chen e Yan Liang (BeautyOfScience.com) per Caltech
In un'altra impresa di bioingegneria, Frances Arnold del Caltech, il Linus Pauling Professore di Ingegneria Chimica, Bioingegneria e Biochimica, e il suo team hanno creato batteri che possono, per la prima volta, formare composti chimici contenenti legami tra boro e carbonio. Prima di adesso, tali legami boro-carbonio provenivano solo dai laboratori dei chimici e non potevano essere prodotti da alcuna forma di vita conosciuta.
La scoperta fa parte di una nuova ondata nella biologia sintetica, in cui agli organismi viventi viene insegnato a produrre composti chimici necessari per i prodotti farmaceutici, prodotti chimici agricoli, e altri prodotti industriali. L'anno scorso, Il team di Arnold ha anche progettato batteri per produrre molecole con legami silicio-carbonio, chiamati composti organosilicici, che può essere trovato in tutto, dai prodotti farmaceutici ai semiconduttori.
Usando la biologia invece dei processi sintetici, i ricercatori possono potenzialmente produrre i composti chimici in modi "più ecologici" che sono più economici e producono meno rifiuti tossici, secondo Arnold.
I risultati sono pubblicati nell'edizione online della rivista del 29 novembre Natura . Gli autori principali del rapporto sono Jennifer Kan e Xiongyi Huang, studiosi post-dottorato nel laboratorio di Arnold.
"Abbiamo dato vita a un blocco di costruzione completamente nuovo che prima non aveva, "dice Arnoldo, che è anche il direttore del Centro di bioingegneria Donna e Benjamin M. Rosen. "Questo è solo l'inizio. Abbiamo aperto un nuovo spazio da esplorare per la biologia, uno spazio che include prodotti utili inventati dall'uomo."
"La natura ha creato bellissimi macchinari di cui possiamo beneficiare, " dice Huang. "Stiamo riproponendo le migliori invenzioni della natura."
Per convincere i batteri a produrre composti contenenti boro, gli scienziati hanno utilizzato un metodo introdotto da Arnold nei primi anni '90 chiamato evoluzione diretta, in cui gli enzimi vengono evoluti in un laboratorio per svolgere le funzioni desiderate, come la creazione di legami chimici che non si trovano nel mondo biologico. Come è stato fatto nella precedente ricerca basata sul silicio, gli scienziati hanno iniziato con una proteina comune chiamata citocromo c, ma con una variante che si trova naturalmente nei batteri che vivono nelle sorgenti termali islandesi. Hanno mutato il DNA che codifica per la proteina e poi hanno messo le sequenze di DNA mutato in migliaia di cellule batteriche per vedere se i batteri risultanti potevano creare i legami boro-carbonio desiderati. Il DNA delle proteine mutanti di successo è stato quindi nuovamente mutato, e il ciclo è stato ripetuto finché i batteri che producono le proteine sono stati altamente abili nell'assemblare i composti boro-carbonio.
I ricercatori hanno realizzato sei versioni di queste proteine, ciascuno con tendenze leggermente diverse per la creazione di varie molecole con legami boro-carbonio. Le loro creazioni batteriche finali erano fino a 400 volte più produttive dei processi chimici sintetici utilizzati per la stessa reazione.
Kan afferma che i ricercatori possono utilizzare questa tecnica per generare facilmente ancora più proteine con funzioni specifiche.
"Il DNA proteico è come un software in cui i ricercatori possono entrare e riscrivere, " dice Kan. "Nella chimica tradizionale, devi risintetizzare un intero catalizzatore chimico se vuoi che faccia qualcosa di nuovo. Ma possiamo farlo semplicemente alterando il DNA che dice ai batteri cosa fare".
Boro, che deriva dal minerale borace, si trova appena a sinistra del carbonio sulla tavola periodica. È un ingrediente comune che si trova nei materiali compositi e nei fertilizzanti. È anche un nutriente essenziale delle piante, e una recente ricerca del rover Curiosity della NASA ha mostrato che è presente su Marte, segno di possibili condizioni abitabili.
dice Kan, "Il boro è uno degli eroi non celebrati della chimica. Non è un elemento di cui sentiamo parlare tutti i giorni, ma il suo contributo alla chimica è enorme. Siamo entusiasti di aggiungere per la prima volta questo elemento alla cassetta degli attrezzi della biologia sintetica".
Il Natura studio è intitolato "Sintesi organoborano chirale geneticamente programmata".